兆瓦級永磁直驅(qū)式三電平風電系統(tǒng)網(wǎng)側控制的研究

高紅巖　汪雅蕓

摘要：針對兆瓦級永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)，本文采用三電平二極管箝位型變流器作為網(wǎng)側變換器，帶解耦控制器的電壓定向的控制策略。建立了永磁直驅(qū)風電網(wǎng)側的數(shù)學模型，分析了電壓定向控制的機理，實現(xiàn)了穩(wěn)定直流側電壓，向電網(wǎng)提供高質(zhì)量的電能；通過Matlab軟件進行了仿真分析，驗證了該系統(tǒng)符合兆瓦級永磁直驅(qū)風電并網(wǎng)的要求。

關鍵詞：永磁直驅(qū)風電；三電平二極管箝位型變流器；電壓定向的控制

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2017）12-0090-01

Abstract： This paper focuses on the grid-side converter and the grid voltage oriented control of which is used for the MW-level direct-drive permanent-magnet wind power system. A diode-clamped three-level converter was used as the grid-side converter. The grid voltage oriented control is elaborated. Simulation model is built with Matlab. It can achieve the DC side voltage maintains steady well. High-quality electricity is fed into the grid.

Key words： direct-drive permanent-magnet wind power system； diode-clamped three-level converter； voltage oriented control

引言

風電技術發(fā)展迅速，永磁直驅(qū)型風電系統(tǒng)省掉了齒輪箱、電勵磁裝置，可靠性和效率大大提高 [1]。為了使直驅(qū)風電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸入高品質(zhì)電能，多電平變換器因其輸出電壓等級高、諧波含量少更接近正弦波被廣泛關注[2]。本文采用二極管箝位型三電平變流器作為兆瓦級永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)的網(wǎng)側變流器。二極管箝位型三相三電平變流器簡稱為三電平變流器。控制策略上采用電壓定向控制，實現(xiàn)永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)的直流母線電壓穩(wěn)定、向電網(wǎng)輸送諧波含量少的高品質(zhì)電能，通過Matlab仿真驗證了理論和控制策略的正確性。

1 網(wǎng)側的結構和數(shù)學模型

永磁直驅(qū)三電平風電的拓撲結構如圖1所示。為了分析簡便，假設：電力電子器件均為理想的器件，把永磁直驅(qū)風電機側等效為電阻和受控電流源串聯(lián)結構[3]。

直流母線電壓為E，兩個直流母線電容串聯(lián)分壓，每個電容的電壓為E/2。當 A相的開關器件Sa1、Sa2 閉合，輸出電壓uAO為E/2；當Sa2、Sa3 閉合，輸出電壓為0；當Sa3、Sa4 閉合，輸出電壓為-E/2。B相和C相也是如此，所以三相輸出電壓uAO、uBO、 uCO為三電平E/2、0、-E/2。輸出線電壓由uAB=uAO—uBO得到為五電平E、E/2、0、-E/2、-E。

根據(jù)圖1可知，電網(wǎng)電壓的方程經(jīng)過abc三相靜止坐標系變換成dq同步旋轉坐標系后，得到交流側輸出電壓在dq軸坐標系下的數(shù)學模型為：

其中，idg、iqg為交流側電流d、q軸分量；udg、uqg為電網(wǎng)電壓d、q軸分量； udi、uqi為變流器輸出電壓d、q軸分量；ωg為同步坐標系下的旋轉角速度。

2 網(wǎng)側的控制策略

控制策略采用帶有解耦控制器的電壓定向控制。電網(wǎng)電壓定向控制是將三相電網(wǎng)電壓uga、ugb、ugc通過abc/ dq變換為 udg、uqg，并且令udg=vg，uqg=0，其中：vg為電網(wǎng)電壓的幅值，則實現(xiàn)了電網(wǎng)電壓的定向控制。

采用PI控制器調(diào)節(jié)電流和電壓，在前饋解耦控制下，交流側輸出電壓的表達式變?yōu)椋?/p>

其中：（k1+k2/S）為PI控制器傳遞函數(shù)； idg*、iqg*為電網(wǎng)d、q軸電流分量參考值。

3 仿真分析

利用Matlab搭建網(wǎng)側控制的模型。受控電流源在0s到0.4s設定為1000A， 在0.4s到0.6s設定為500A，直流側參考電壓設定為1050V。

圖2為直流側電壓值，直流側參考電壓值為1050V，在PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓下，0.06s時直流側電壓穩(wěn)定到參考電壓值1050V。

圖3為輸入到電網(wǎng)中的三相電流，0.06s時波形趨于穩(wěn)定， 三相波形平滑穩(wěn)定，接近正弦波，0.06s至0.4s電流的幅值為1700V，在0.4s至0.6s電流的幅值變?yōu)?000V。

4 結論

本文在理論上分析了永磁直驅(qū)三電平風電網(wǎng)側結構的數(shù)學模型，采用帶解耦控制器的電壓定向控制策略，并利用Matlab仿真分析，驗證了采用三電平變換器輸出電平數(shù)多諧波含量少，帶解耦控制器的電壓定向控制策略能夠穩(wěn)定直流側電壓、輸入到電網(wǎng)的電能更接近正弦波。

參考文獻

[1]張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：228-230.

[2]李暉，王丹，李庚銀.永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)網(wǎng)側換流器混合控制策略研究[J]. 電力建設，2017，38（6）：133-139.

[3]郭瑾，王雷.永磁直驅(qū)變速恒頻風電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器研究[J]. 電力電子技術，2017，51（10）：24-26.

注：武漢鐵路職業(yè)技術學院校級課題，課題編號：Y2016025