基于SVPWM控制的雙三電平變換器的直驅永磁同步風電系統研究

摘 要：永磁同步電機（PMSG）直接和風力機相連接，而電能通過全控的交—直—交變換器和電網相連接。功率轉換電路由發電機側的三電平變換器、直流電路和網側的三電平變換器三部分共同構成?；谟来磐诫姍C的最大風能捕獲控制系統，空間矢量脈寬調制技術（SVPWM）和轉子磁鏈定向矢量控制策略被應用于實現有功和無功功率的控制。本研究完成了相關的仿真和試驗，于文中給出了諸如三相電流、直軸交軸電流的波形，均證明了本文提出的控制算法的可行性和有效性。

關鍵詞：空間矢量脈寬調制；風力發電系統；三電平變換器；全控；控制策略

永磁直驅同步發電機（PMSG）被廣泛應用于風力發電系統，功率變換器則是電能向電網輸出功率系統中的重要部分。雙電平變換器通常被用于傳統的風電系統。隨著對供電量和供電質量需求的提升，基于多電平變換器的高功率變換器的拓撲結構之研究也引起了人們的高度重視。

對直驅風電系統的研究有效地提高了電力系統的效率和可靠性。直驅風電成為國際上相關領域研究的熱點。通過文獻研究發現，基于雙電平變換器的直驅風電系統得到廣泛研究，并且提出將三電平變換器應用于該系統，但這也僅限于研究了變換器本身，并沒有涉及到該系統的控制問題。本研究針對永磁同步電機使用的是空間矢量脈寬調制（SVPWM）和轉子磁鏈控制策略，而且將轉速作為外環而電流作為內環，共同構建了雙回路控制系統。

一、風力機的基本特性

風力機是風電系統的關鍵部分之一。根據其空氣動力學特征，風力機的輸出功率可通過計算得出。

功率系數Cp也叫作風能利用系數，它與風速、葉片速度、葉片直徑和槳葉角都有直接的相關性。可以看出，當葉尖速比比最優葉尖速比大或小時，風能利用系數都會偏離最大風能利用系數，造成單位效率的下降。同時，Cp的數值在槳葉角變大時顯著下降。

根據上述分析，風機的輸出功率和轉速在不同風速下產生變化。在不同風速下，功率—轉速曲線可以得到。連接不同風速下最大功率點形成的是風力機的最大功率曲線Popt。當風力機運行在最大功率曲線上的時候，就會產生最大的功率。

二、基于空間矢量脈寬調制技術的三電平變換器

對于三相三電平變換器而言，每一相都有三種電平的輸出，因此對應于27中矢量控制狀態共有27個三相輸出狀態的空間矢量?？臻g矢量圖分為6個區域，每一區域有四個象限，

鉗位型三電平變換器空間矢量調制算法基于瞬間功率平衡。Α、β是兩相靜止正交坐標系，g、h是本文定義的非正交的60°坐標系，h軸逆時針超前g軸60°。它們之間有一定的數學關系。

然而，電流相對中性點的方向在onn和ppo作用時是相反的。保持T14p+T14n不變，改變兩者之間的比例，那么流向中性點的電流就可以控制，進而保持中性點的電勢平衡。

三、基于永磁同步電機的最大風能跟蹤矢量控制技術

根據上述的永磁同步電機的建模和三電平空間矢量脈寬調制的算法，永磁同步電機的控制方塊圖可以獲得。

P是電機的極對數。在捕獲風能的過程中，輸出功率取決于對應于瞬時風速的Pm-Wm的功率點。因此，對于風電系統來說，若想控制輸出有功功率Pge就要控制風電系統的發電機轉速。風電機要保持運行在最佳葉尖速比處來保證系統運行在最大功率曲線上。通過計算可獲得最佳轉速。

θmr是電機轉子的角度。將得到的機側變換器定子電流命名為ia，ib，ic，通過Park變換，d軸分量id和q軸分量iq也可獲得。ωmr是機械角速度，ωmref和ωmr的區別在于后者是轉速控制器的輸入信號，前者是比例積分控制器的參考值。為了實現解耦控制，令d軸電流給定值為零。

為了證明所提出算法的有效性，我們對低速永磁同步電機進行了仿真實驗，得到了發電機對應于不同風速的轉速變化曲線。由該變化曲線可以看出，發電機轉速可以跟蹤風速的瞬時變化。對于機側三電平變換器的電壓曲線，它顯然比二級變換器的曲線要更加接近正弦曲線。對于永磁同步電機的定子電流，可以看出，當風速變化時，電機的電流變化也極為迅速，并且仍保持正弦曲線的形狀，定子電流的頻率隨風速變化而變化。d軸電流id在全過程中均為零，說明實現了d軸和q軸電流的完全解耦，q軸電流隨風速變化而變化。

通過實驗獲得的結論是，與仿真結果相比，這些曲線基本是連續的，證明了本算法的可行性和有效性。

四、結論

本文主要對風力機進行了分析，轉子磁鏈定向控制和基于非正交坐標系的空間矢量脈寬調制算法都得到了應用。發電機轉速能迅速地跟蹤參考轉速而進行改變，輸出電流也能保持良好的正弦特性。下一步的工作重心在于對基于SVPWM控制的雙三電平變換器的直驅永磁同步風電系統進行更深入的實驗研究。

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作者簡介：王濱臣，東北電力大學電氣工程學院。