李春亞，陳光偉

(鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 451460)

0 引言

隨著風力發電技術的發展，直驅風電機組由于發電成本低、效率高等優點成為風電系統新的發展方向。作為風電系統并網的唯一通道，變流器控制技術對于風電系統至關重要。隨著電力電子技術的發展，變流系統已由不可控整流+Boost升壓電路+PWM逆變結構逐漸被雙PWM結構所替代[1]。機側變流器通過調節定子d、q軸電流，在額定風速以下實現最大風能的追蹤，控制發電機輸出電磁轉矩和有、無功功率的大小，提高風能利用率。網側通過對d、q軸電流調節，實現直流母線電壓的穩定和有、無功功率的解耦控制。本文對額定功率2 MW的永磁直驅風電機組變流器控制系統進行研究，通過仿真實驗驗證控制策略的可行性。

1 永磁直驅風電系統數學模型

永磁直驅風電系統主要由風力機、永磁同步發電機及雙PWM變流器幾部分組成。本文重點研究風速低于額定風速的階段，即實現最大風能的追蹤[2]。

1.1 風力機數學模型

風力機輸出功率P(W)與風速v(m/s)的關系表示為：

(1)

1.2 永磁同步發電機數學模型

機側變流器采用基于轉子磁場定向的矢量控制技術[3]。在同步旋轉dq坐標系下永磁同步發電機定子的電壓方程為：

(2)

其中：ud、uq和id、iq分別為定子端電壓和電流的d、q軸分量；Rs、Ls分別為定子繞組電阻、電感；ωr為發電機同步電角速度；Ψf為轉子永磁磁鏈。

永磁同步發電機輸出電磁轉矩為：

(3)

其中：p為電機極對數。

2 雙PWM變流器控制策略

2.1 機側變流器控制策略分析

通過式(3)可知，電磁轉矩Te與iq成正比，通過控制電流iq即可實現對電磁轉矩的控制，進一步控制電機轉速ωm，實現最大功率的跟蹤控制。由式(2)可知，定子電流id、iq是相互耦合的，為實現線性化控制，對兩個新的輸入量重新定義并進行拉氏變換可得：

(4)

2.2 網側變流器控制策略分析

風速變化時，網側變流器控制目標在保證并網電能質量達到并網標準的基礎上，實現直流側電壓的穩定控制。

本文研究選取電網側電壓矢量方向為d軸，可得到電網側變流器電壓方程為：

(5)

其中：Rg、Lg分別為電網側線路等效電阻、電感；ωg為電網同步電角速度；Vgd為電網電壓Vg的d軸分量；ugd、ugq和igd、igq分別為網側變流器控制電壓和電流的d、q軸分量。

圖1 機側變流器控制原理圖

選取d軸電網電壓定向，Vgq=0，Vgd=|Vg|，輸送到電網的有、無功功率分別表示為：

(6)

3 仿真結果分析

通過對變流器控制策略的分析，基于MATLAB/Simulink仿真平臺，搭建永磁風電機組整機仿真模型。風電機組仿真參數為：額定風速v=12 m/s，機組額定功率為2 MW，風輪半徑R=38.7 m，電機極對數p=40，直流側電壓為1 500 V。仿真時間為2.5 s，風速變化曲線如圖3所示，風速在1 s～2 s內，由8 m/s漸變至額定風速12 m/s。直驅風電系統仿真曲線如圖4所示。

圖2 網側變流器控制原理圖

圖3 風速變化曲線

圖4 直驅風電系統仿真曲線

通過圖4(a)、同4(b)仿真曲線可知，在1 s～2 s風速漸變上升中，整個過程發電機的轉速能夠很好地跟蹤參考轉速，系統響應較快，擾動結束后，風能利用系數很快恢復到最佳狀態，穩定在0.48左右，實現最大功率點的跟蹤控制；由圖4(c)、圖4(d)曲線可知，有功輸出隨著風速的升高逐漸平穩上升，達到額定風速12 m/s時，輸出功率達到額定值2 MW左右，無功功率維持在0附近；由圖4(e)、圖4(f)可知，風速變化時，直流側電壓會有微小波動，達到額定風速時，很快恢復到穩定狀態，維持在1 500 V左右，并網電流諧波失真較低，THD=1.12%，達到了并網的要求(THD<5%)。仿真結果證明了控制策略的有效性。

4 結論

本文給出雙PWM變流器的控制策略，基于MATLAB/Simulink仿真平臺搭建了永磁直驅風電系統的整機仿真模型。仿真結果表明：風速變化時，該控制系統能夠保證風電機組的穩定運行，變流器控制實現了最大風能的捕獲和直流側電壓的穩定。本文建立仿真模型對控制策略進行驗證，對實踐具有重要的指導意義。

參考文獻：

[1] 王碩，金新民，趙新.1.5 MW永磁直驅風電并網變流器矢量控制的研究[J].電力電子技術，2011，45(11)：41-43.

[2] 劉景利，張友鵬，高鋒陽. 永磁直驅風電變流器控制策略及仿真研究[J].電源技術，2012，36(4)：554-557.

[3] 程鵬，李國祥.淺述永磁直驅風電機組變流器的控制策略[J].變頻器世界，2013(2):49-56.

[4] 劉軍,吳瓊. 永磁直驅風電系統網側變流器控制策略研究[J]. 控制工程,2015(1):20-24.