永磁直驅同步風力發電機變流器仿真分析

陳麗娟，唐勇奇，林軒，胡濤

（湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411101）

永磁直驅同步風力發電機變流器仿真分析

陳麗娟，唐勇奇，林軒，胡濤

（湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411101）

摘 要：根據風力機的輸出特性，闡明最佳特性曲線法實現風力發電系統最大功率追蹤的原理，選取背靠背電壓型雙PWM變換器為研究對象，在參考坐標變換理論基礎上，分析并搭建了永磁同步電機和PWM變換器的數學模型，為仿真分析提供依據。依據變換器控制的數學模型，對網側變換器和機側變換器的控制策略進行了研究。網側變換器采取前饋解耦方案，實現VSR的有功、無功功率解耦控制，獲得基于電網電壓定向的雙閉環控制策略；機側變換器采用零D軸電流控制策略，基于轉子磁場定向的矢量控制方法，通過矢量控制方法實現對定子電流的控制，達到良好的轉矩控制性能；基于MATLAB軟件對設計的系統進行理論仿真驗證，仿真結果證明矢量控制策略具有良好的穩態和動態性能。

關鍵詞：雙PWM；永磁同步電機；最大功率追蹤；矢量控制

0 引言

風能作為清潔能源之一，其資源儲量大而且無污染，是21世紀發展最快的清潔能源。據統計，世界上可利用發電的風資源是水資源儲量的十倍多，因此，風力發電在未來能源結構改革中占有絕對主力位置。2012年，風力發電占全國電力的2%，據《中國風電發展路線圖2050》報告[1]預測：2020年，2030年，2050年，風電占屆時全國電力需求的5%，8%，17%。隨著我國風力資源的開發，帶來了風力發電技術的高速發展，其中變流器技術是其中之關鍵，目前該技術主要掌握在國外手中，我國也在積極研究當中。

目前，全球所運用的風力發電機最為普遍的是雙饋式風力發電機和直驅式永磁同步發電機[2]。雙饋式風力發電機需要齒輪箱連接葉輪和發電機，以達到升速的目的，但是由于齒輪箱存在造價高昂，故障率高，且噪音大等缺點，雙饋式風力發電機逐漸被直驅式永磁同步風力發電機取代；其次，由于雙饋式風力發電機定子側直接與電網剛性耦合，當電網出現故障時，能直接影響發電機，減短發電機的使用壽命。而直驅式永磁同步發電機完全彌補以上兩個重大缺陷，所以未來的風力發電系統直驅式永磁同步風力發電機的比重將會越來越大。目前，國內生產直驅式永磁同步風力發電機組的企業有新疆金風有限公司、湘電風能有限公司等。

永磁同步發電機的并網變流器結構主要有三種：不控整流+PWM逆變、不控整流+boost升壓斬波+PWM逆變和PWM整流+PWM逆變（雙PWM）。不控整流+PWM逆變具有結構簡單易于實現的優點，但是由于其機側變流器采用不可控整流，不能對發電機的轉矩進行控制，即不能實現最大功率追蹤，且直流側電壓不穩定，紋波較大等缺點，該種控制方法只運用在容量的變換當中；不控整流+boost升壓斬波+PWM逆變與前者相比較，其優點是能夠對直流母線電壓進行控制，但是存在無法對最大功率進行跟蹤的缺點；雙PWM型變流器[3-4]彌補以上兩者缺點，其還具有機側功率因數高，諧波含量少等優點。雙PWM型變流器將是未來風力發電變流器發展趨勢。

作者通過對永磁同步風力發電機及變流器的拓撲結構進行數學建模，通過Matlab/Simulink進行仿真，驗證其可行性及正確性。

1　建立數學模型

如圖1所示為雙PWM型變流器拓撲結構，風能經過葉輪裝換為機械能，通過傳動軸帶動發電機轉子轉動，再通過電磁感應裝換為幅值、頻率變化的交流電，然后通過機側PWM型變流器整流成為穩定的直流電，最后通過網側PWM變換器逆變成為和電網等幅、同頻、同相位的交流電。

1.1機側變流器的控制策略

1.1.1 坐標變換理論[5]

坐標變換的原理就是把三相交流電模型轉換為相互獨立的兩相直流電進行解耦控制。其過程包括三相靜止坐標系轉換成兩相靜止坐標系abc，兩相靜止坐標系αβ轉換成兩相旋轉坐標系dq，如圖2所示。

圖1　雙PWM型變流器的拓撲結構Fig.1 Topology structure of dual PWM converter

圖2　3s/2s與2s/2r變換Fig.2 3s/2s and 2s/2r transform

1.1.2 發電機數學模型

忽略定子鐵心飽和，不計渦流損耗與磁滯損耗，轉子上沒有阻尼繞組，且空間磁勢及磁通分布為正弦時，永磁同步發電機在dq坐標系下的數學模型如式(1)所示：

其中，usd和usq分別為d軸和q軸電壓；isd和isq分別為d軸和q軸電流；Lsd和Lsq分別為定子直軸電感和定子交軸電感；ψf為永磁體勵磁磁鏈（不考慮溫度影響，為一常數）；ws為定子電角速度；Rs為定子相電阻。

由式(1)可知，d軸和q軸電流相互耦合，給控制帶來很大難度，因此通常采用前饋解耦方式，加入PI控制器，則上式可做如式(2)所示的變換：1.1.3 基于最佳功率給定的風能跟蹤控制原理[6-8]

風力發電機組把風能轉換為電能的第一步是通過風力機轉換為機械能，其在空氣中捕獲并轉換的風能功率可用式(3)表示：

式(3)中：ρ為空氣密度；r為風力機葉片的長度；v為風速；Cp為風力機的風能利用系數。葉尖速比λ是葉片葉尖線速度v1與風速v的比值，其表達式如式(4)所示：

式(4)中：w為風力機的機械角速度；R為風力機的葉片半徑。將式(4)代入式(3)可得：

式(5)中：Pmax為最大功率；λm為最佳葉尖速比；Cpmax為最大風能利用系數。

由于風電場中的風速大多數情況下都低于額定風速，因此這里只針對額定風速以下的風況進行研究。即變槳系統不動作，槳距角等于零。

如圖3所示，在不同槳距角的情況下只有唯一的一個最佳葉尖速比λm和風能最大利用系數Cpmax相互對應，因此在槳距角固定的情況下，λm和Cpmax均為定值，即式中k為定值，因此風力機吸收功率的大小僅與葉輪轉速相關。下面以槳距角為0°進行分析。

如圖4所示，在不同風速的情況下，葉輪捕獲的最大功率僅對應一個最佳轉速，因此，在風力發電機型號確定的情況下，進行最大功率追蹤僅取決于葉輪的轉速。

因此，機側變流器采用基于坐標變換的雙閉環空間矢量控制策略。雙閉環即轉速外環，實現最大功率追蹤；內電流環，采用id=0的控制策略，實現對發電機的轉矩控制。其控制結構圖如圖5所示：

1.2網側變流器的控制策略[9]

網側變換器采用以電網電壓定向的矢量控制，則其dq坐標系下得數學模型如式(6)所示：

圖3　最佳葉尖速比λ與最大風能利用系數Cp關系曲線Fig.3 The optimal tip speed ratio lambda and maximumwind energy utilization coefficient Cp curve

圖4　風力機功率與轉速對應關系曲線Fig.4 The relationship curve of the power andthe speed of the wind turbine

圖5　轉矩控制結構圖Fig.5 Torque control structure diagram

式(6)中：ugd和ugq分別為網側變流器輸出端d軸和q軸電壓；igd和igq分別為d軸和q軸電流；Lgd和Lgq分別為直軸和交軸濾波電感；wg為電網電角速度；Rg為電網輸電線等效阻抗；ed和eq分別為電網d軸和q軸電壓。

為使網側逆變器運行在單位功率因數下，令ed=Es，eq=0；其中，Es為電網電壓幅值。再進行解耦控制，為使輸出電流能夠快速跟蹤給定電流，采用電流PI調節器實現閉環控制。PI 調節器輸出如式(7)所示：

為了維持直流側電壓的穩定，網側變流器采用電壓外環、電流內環的雙閉環方式。電壓外環的輸出作為電流內環有功電流的給定，其控制結構圖如圖6所示：

圖6　電壓外環輸出作為電流內環有功電流的給定控制結構圖Fig.6 Voltage outer loop output as a given controlstructure of active current in current loop

2　仿真研究[10]

通過研究機側變流器與網側變流器的控制策略，在Matlab/Simulink下搭建了仿真模型。如圖7所示，其中仿真模型中給定部分條件為永磁同步發電機極對數為20，交直軸電感均為0.003H，定子相電阻為0.002Ω，磁鏈為0.821Wb，轉動慣量為8kg/m2，直流側電容為5mF，直流側額定電壓為350V，網側線電壓有效值為120V，50Hz，網側濾波電感為1mH，每相等效電阻為0.5Ω，模擬實際中當直流端電壓高于額定電壓時才向電網送電，因此給定直流側電容初始值為350V。

圖7　雙PWM型變流器仿真模型Fig.7 Simulation model of dual PWM converter

在給定轉矩T=-20kN*m，給定轉速為42rad/s時，發電機轉速波形如圖8所示，機側三相電流如下圖9所示，坐標變換后dq軸電流的分量（分別為無功分量和有功分量）如圖10所示，直流母線電壓如圖11所示，并網電流與電網電壓波形如圖12所示。

圖8　發電機轉子轉速波形Fig.8 Generator rotor speed waveform

圖9　發電機定子三相電流波形Fig.9 Generator stator three phase current waveform

圖10　機側dq軸電流波形Fig.10 Machine side DQ axis current waveform

圖11　直流側直流電壓波形Fig.11 DC voltage waveform

圖12　并網電流與電網電壓波形Fig.12 Grid connected current and grid voltage waveform

圖13　0.5S突加負載時發電機轉速波形Fig.13 Generator rotational speed waveform with 0.5S process

由上述圖可知，風力發電機實際轉速能夠很快跟蹤給定轉速，發出的電流能夠呈現良好的正弦型，且無功電流d軸分量始終維持在零附近，有功電流q軸分量穩定，直流母線電壓維持在350V，逆變器輸出并網電流與電網電壓保持同頻反向，實現單位功率并網。

但是，在實際應用中，由于風速的不穩定性，當風速改變時，導致葉輪與發電機轉子間的轉矩發生變化，又由于最大功率追蹤，導致給定轉速變化，下面進行當風速改變時的研究。

假設轉矩的初始值為-20kN*m，在t=0.5s時，變為-25kN*m；給定轉速為42rad/s在t=0.5s變為56rad/s，此時機側三相電流如圖13所示，機側dq軸電流（分別為有功分量、無功分量）如圖14所示，直流母線電壓如圖15所示，電網電壓與并網電流波形如圖16所示。

通過圖17的仿真波形可以看出，在風速突然變化時，風力發電機轉速和轉矩能夠快速跟隨新的給定值，機側電流和網側電流能夠快速變化達到新的穩定，且變化前后仍能夠保持良好的正弦型，直流側電壓始終保持在350V。

圖14　0.5S突加負載時發電機定子三相電流波形Fig.14 Generator stator three phase currentwaveform with 0.5S process

圖15　0.5S突加負載時機側dq軸電流波形Fig.15 0.5S突加負載時機側dq軸電流波形

圖16　0.5S突加負載時直流側電壓波形Fig.16 DC side voltage waveform of 0.5S process

圖17　0.5S突加負載時并網電流與電網電壓波形Fig.17 Grid connected current and voltage waveform of 0.5S process

3　結論

通過理論推導風力發電機組及雙PWM變流器的數學模型，進而搭建仿真模型進行仿真并對波形進行分析，論證了矢量控制理論的正確性以及給系統帶來的穩定性。

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Simulation of the Converter of the Permanent Magnet Direct-drive Wind Power Generation System

CHEN Li-juan, TANG Yong-qi, LIN Xuan, HU Tao
（School of Electrical and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China）

Citation: CHEN Lijuan,TANG Yongqi,LIN Xuan,et al..Sinmulation of the Converter of the Permanent Magnet Direct -drive Wind Power Generation System.[J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(6): 19?26.

Abstract:The principle of MPPT control of the WEGS using optical characteristic curve is explained according to wind turbine output characteristics.The back-back voltage source dual-PWM converter is selected for the study.The mathematical models of permanent magnet synchronous generator and PWM converter have been analyzed and built after referring to the coordinate transformation theory.This has provided a basis for the simulation analysis.It is a study on the control strategies of grid side converter and machine side converter based on the mathematical model of converter control.Feed-forward decoupling scheme is adopted to achieve the active and reactive power decoupling control on grid side converter.This paper obtains a voltage and current double closed-loop controlling method based on grid voltage orientation.To achieve good torque control performance, the zero d-axis current control strategy is used for the machine side converter.The stator current control strategy is obtained based on the rotor flux orientation vector control method and vector control method.This can provide a reference for the selection of parameters.The simulation for the designed system is carried out using Matlab software.Simulation results verify that the method of vector control has good stability and dynamic performance.

Key words:Dual-PWM; Permanent magnet synchronous generator; MPPT; Vector control

作者簡介：陳麗娟(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向為：風電控制技術；唐勇奇(1964-)，男，湖南新化人，教授，碩士，主要研究方向：電氣控制；林軒(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：風電控制；胡濤（1989-），男，湖北宜昌人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向：現代電力電子技術及系統。

*基金項目：國家自然科學基金（51177040）

本文引用格式：陳麗娟，唐勇奇，林軒，等.永磁直驅同步風力發電機變流器仿真分析[J].新型工業化，2015，5(6)：19-26 DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.06.04