永磁直驅風力發電模擬平臺的設計與研究

畢大強，宋修璞，葛寶明，李秋生

(1.清華大學，北京100084;2.北京交通大學，北京100044;3.臺達能源杭州設計中心，杭州310051)

0 引 言

近年來，風力發電受到了世界各國家的普遍關注，其相關技術也得到了廣泛研究，各種新型的風力發電機、最大功率點跟蹤策略、功率變換器拓撲，及先進控制算法等都得到了越來越多的應用。然而風是一種自然現象，具有間歇性和不確定性，受現場惡劣條件的限制，若在實際風場進行實驗研究，不利于驗證新型理論和技術［1］。為了加強對風力發電技術的研究，不僅有必要在實驗室中模擬風力機的實際工作特性，而且必須建立能驗證變流器控制算法的平臺，從而有利于風力發電系統研究的新理論、新技術得到驗證。

目前主要采用基于直流電機的風力機模擬系統［2－3］。但由于受直流電機換向器和電刷的限制，其適合構建小功率風電實驗平臺。隨著系統單機容量的增大，開始逐步采用基于異步電動機的風力機模擬系統。文獻［4］推導了異步電機指令轉矩值的計算方法，但沒有對電機控制方法具體研究。文獻［2－4］都沒有進一步在風力機模擬平臺的基礎上去驗證變流器的算法。文獻［5］構建了硬件平臺和控制軟件在內的風力發電模擬平臺，但僅驗證了正常狀態下的變流器算法。

本平臺采用一臺變頻調速三相異步電動機帶動一臺三相永磁同步發電機運行，可以方便地通過計算機控制變頻器實現三相異步電動機的轉速調節模擬風機出力;在此基礎上，設計軟硬件結構，驗證了雙PWM 變流器的控制算法，并通過直流側增加卸荷電阻來提高系統的低電壓穿越能力;設計了基于Lab-VIEW 的上位機監控系統，此風電模擬設備可為教學演示以及算法創新驗證提供一個比較完善的平臺。

1 永磁同步發電機的數學模型及控制方法

根據建立永磁同步發電機數學模型的一般假設［6］，在d，q 同步旋轉坐標系下，如果將旋轉坐標系的d 軸與轉子磁鏈相重合，永磁同步發電機的數學模型可以表示:

式中:Vd，Vq，id，iq是d，q 坐標系下的永磁同步發電機定子電壓和電流;Ld，Lq是發電機定子直軸和交軸電感;Ψd，Ψq是d，q 軸磁鏈;p 為轉子極對數;R是發電機定子電阻;ωg是發電機轉速;Ψr是轉子磁鏈;Tem為發電機電磁轉矩;Twind為風力機轉矩;J 為系統的轉動慣量。

根據式(1)～式(6)數學模型，可以建立起永磁同步發電機的矢量控制系統。如圖1 所示，控制外環為轉速環，內環為電流環。發電機的轉矩主要靠q 軸電流分量進行控制，d 軸電流分量可以用來調節勵磁電流，從而實現單位功率因數運行，減小損耗［7－9］。轉速環和電流環調節器都采用PI 調節器。發電機轉速按MPPT 要求，隨風速變化而變化［10］。

2 網側變流器的模型及控制方法

電網側變換器功能是穩定直流母線電壓，將風力機捕獲的功率傳遞到電網，并根據電網的需求向電網饋入無功功率。電網側變流器在兩相同步旋轉坐標系下的數學模型如下:

式中:Rs，Ls分別為電網側的電阻和電感;C 為總的直流母線電容;Sd，Sq為兩相同步旋轉坐標系下變換器的等效開關函數;isd，isq為變換器的d，q 軸電流;Vsd，Vsq為電網電壓在d，q 軸上的分量;Vdc為直流母線電壓;I0為等效的直流母線負載電流;ωs為電網頻率。

當同步旋轉坐標系的d 軸與電網A 相電壓向量重合時，有:

式中:Vs為電網電壓的幅值。在這種情況下，電網側變流器饋入電網的有功功率P 和無功功率Q 分別:

由式(9)可知，當電網電壓恒定時，控制d 軸電流即可控制饋入電網的有功功率，控制q 軸電流即可控制饋入電網的無功功率。重寫式(7)中矩陣的前兩式，可得電網側變流器的電壓方程:

3 低電壓穿越

3.1 低電壓發生裝置原理

本套電網電壓跌落發生器原理圖如圖2 所示。其中，多抽頭繞組變壓器的原邊與電網相連接，每相副邊通過兩個電阻和四個繼電器組成的圖示電路與待測試的電力電子設備相連接。采用TI 公司的TMS320F2812 數字信號處理器作為主控芯片，控制繼電器所需的特定時序觸發信號，實現對電網電壓故障的模擬。

圖2 電網電壓跌落發生器單相原理圖

如圖2 所示，以單相為例，正常電網條件下KM1 導通，KM2 ～KM4 關斷，當電壓發生跌落時，控制繼電器按照如下順序動作:KM2 導通－KM1 關斷－KM3 導通－KM2 關斷，此時副邊L2 輸出與網側變換器相連，由于L2 的變壓低于L1，因此輸出電壓發生了跌落變化，此過程中電阻起到在電壓轉換過程中限制短路電流的作用。通過控制跌落和恢復過程的時間間隔，可以控制故障電壓持續的時間，從而模擬出需要的電壓故障。三相進行類似的控制，就可以模擬出電網電壓的各種故障，如三相電壓跌落、不對稱電壓跌落等。

3.2 直流側增加卸荷電路以提高低電壓穿越能力

圖3 為直流側增加卸荷電路的永磁直驅風力發電系統。直流卸荷電路用于在電網故障條件下保持直流側電壓穩定，該方法是目前永磁直驅風電機組最常用的一種保護電路方式［11－12］。

圖3 直流側增加卸荷電阻的永磁直驅風電系統結構圖

當電網電壓突然跌落時，網側電流值在網側變流器限幅值以內，網側變流器功率開關管的占空比增大，直流母線兩側功率平衡，此時卸荷電路不工作。此后網側電流值逐漸增大，當增大至網側變流器的限幅值之后，網側變流器電壓外環飽和，網側變流器失去了維持直流母線電壓恒定的作用，直流母線處的輸出功率小于輸入功率，造成功率持續在直流母線處堆積，直流電壓值持續快速升高，當增大至軟件設定值之后，卸荷電阻投入工作。通過卸荷電阻消耗掉堆積在直流母線的多余能量保持輸入輸出功率平衡，使電網故障對機組運行基本不產生影響［13］。

圖4 為直流側卸荷電阻控制策略框圖，將直流側電壓增大幅度作為主要判斷邏輯。當直流母線電壓超過其給定值一定值，令占空比d=1，投入卸荷電阻;當小于設置值時，令占空比d=0，使其切出。為防止由于直流母線電壓波動造成的卸荷電阻頻繁投入切出，需要在投入和切出的電壓設定值之間設置滯環。

圖4 直流側增加卸荷電阻控制原理圖

卸荷電路中的卸荷電阻值需要考慮直流側允許的最高電壓和所消耗的最大功率。忽略電路的非線性因素，卸荷電阻取值:

4 模擬平臺的設計與實驗研究

根據上述原理，搭建了一臺以TMS320F2812 為控制核心，功率為7.5 kW 的永磁直驅風力發電系統模擬平臺，電氣連接圖如圖5 所示。

4.1 模擬平臺結構和功能設計

模擬實驗平臺的外觀如圖6 所示。

本平臺選用的拖動電機額定功率為9 kW，永磁同步發電機額定功率為7.5 kW、額定轉速為1 000 r/min，正常運行時，直流母線電壓穩定在640 V。當電網電壓跌落時，母線電壓上升到680 V 卸荷電路動作，卸荷電阻為50 Ω。

并網側是由三相電壓跌落發生器連接電網，用以模擬電網的跌落狀態。

機側變流器和網側變流器分別采用兩塊DSP開發板控制。開關頻率均為10 kHz，通過控制雙PWM 變流器，實現系統的最大功率跟蹤、穩定直流母線電壓，并可控制流向電網的無功功率。

4.2 模擬平臺實驗監控

基于美國NI 公司的LabVIEW 軟件設計研發了試驗平臺的上位機監控系統。監控界面分為四個部分:主界面、風力機模擬界面、曲線觀測界面和低電壓實驗界面。

上位機監控系統通過RS－485 通訊接口與變頻器、電壓跌落控制器、機側變流器和網側變流器相聯。圖7 為永磁同步風力發電機試驗臺的上位機軟件主界面。

圖7 永磁同步風力發電機試驗臺上位機主界面

該主界面包括:狀態變量觀測區域、網側通訊區域、變頻器通訊區域、機側通訊區域、低電壓通訊區域和數據保存區域。

點擊主電路合閘，網側通過不控整流對直流母線電容預充電。啟動網側變流器，待母線電壓穩定在640 V 左右時，就可以啟動風機并向電網發出一定的功率了。

圖8 為拖動電機額定轉速、并網功率7.5 kW時的上位機曲線觀測界面。圖9 顯示此時風機運行在最大功率運行點上。圖10 為額定狀態下電壓跌落50%、跌落時間500 ms 時的曲線觀測界面圖。

從曲線觀測界面可以看出:(1)在網側變流器電流限幅作用下，網側電流在電壓跌落期間增大有限;(2)電壓跌落期間，由于直流母線電容兩側功率不平衡的緣故，母線電壓會升高;(3)在網側電壓跌落瞬間，由于電感作用網側電流基本不變，網側功率跌落到此前的50%左右，隨著網側電流值增大至限幅值，網側功率隨之增大;網側電壓恢復瞬間，同樣由于網側電流變化的滯后性，使網側功率瞬間增大。(4)當網側電壓恢復一段時間里，網側電流和功率恢復至跌落前水平，低電壓穿越結束。

上位機操作流程如圖11 所示。

4.3 實驗結果與波形深入分析

以下是針對平臺的實驗結果和波形分析。圖12 為電機轉速1 000 r/min、并網功率為7.5 kW 時的電流波形，有效值9.4 A。從圖12 中可以看出，并網電流波形三相對稱、諧波較少。

圖12 額定狀態下并網電流波形

圖13 為電網A 相電壓與電流波形。從圖13 中可以看出，電網電壓與電流同相位，實現了單位功率因數并網，提高了電能質量。

圖13 穩態時電網A 相電壓與電流波形

圖14 為電網電壓發生三相對稱跌落時(跌落深度50%，跌落持續時間1 213 ms)直流母線電壓、卸荷電阻電流、三相并網電流及電網電壓波形圖。從圖14 中看出，實驗波形與上述理論分析一致。跌落期間當母線電壓升至680 V 左右時，卸荷電阻動作，降至630 V 左右時，卸荷電阻切出。電網電流隨著電網電壓跌落稍微滯后上升，隨著電網電壓恢復稍微滯后恢復。

5 結 語

本文設計了一種功能完整、體系開放、上位機友好的直驅風電系統平臺。實驗結果表明，在正常并網運行以及電網故障狀態下，平臺較理想地完成了設定的控制目標，證明了該平臺的有效性、實用性，為在實驗室中研究永磁直驅風力發電技術、開展風力發電教學提供了實踐平臺。

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