直驱式风电机组并网动态性能研究*

侯世英，肖旭，张闯，薛原

(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044)

风能以其无污染和分布广泛的特点，日益受到世界各国的重视。近年来，风电技术己从采用鼠笼式感应发电机的固定转速风电机组发展到基于双馈型和直驱型发电机变速风电机组。发电机中采用的变速恒频技术能够提高风力发电机组在低风速情况下的出力水平，使得其能源利用率高出固定转速风电机组20%～30%[1]。

目前对变速恒频风电系统的研究主要集中在基于双馈感应发电机DFIG(Doubly-Fed Induction Generator)的双馈式系统与基于永磁同步发电机PMSG(Permanent Magnet Synchronous Generator)的直驱式系统[2]。DFIG系统具有变流器容量小、电机运行速度高、体积小、可以调节发电机的转速和无功功率等优点。但双馈感应发电机需要增速齿轮箱，而齿轮箱维护复杂、工作时噪声大、且容易发生故障。相比之下，PMSG系统无需齿轮箱、机械损耗小、维护简单，输出的有功、无功功率可调，在低风速情况下仍可高效发电，并且在电压跌落时，可以只在网侧逆变器和直流侧采取应对措施，而不会影响到电机侧整流器以及电机系统的正常运行。但直驱式系统需要全功率变流器，即变流器的容量为系统额定容量，这就限制了直驱式风电系统的发展[3]。但随着电力电子技术的快速发展，变流器的大容量问题得到了解决，使得直驱型风电系统的控制变得简单易行。

以往的研究大多是将风机、发电机简化成三相电压源，这种方法较为简单，但是难以准确地反映发电机转速、转矩和电流之间的关系。本文以直驱式风电机组为研究对象，以电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC为平台，搭建直驱式风力发电机组并网运行动态仿真模型，利用本文提出的控制方案进行仿真验证。仿真结果表明了该控制方案的合理性以及直驱式风电系统良好的运行特性和动态品质。

1 直驱式风电机组中各组成部分模型

图1为基于永磁同步发电机的直驱式风电机组模型结构简化图，其结构主要由风速模型、风机模型、永磁同步发电机模型、变流器模型、控制模型5部分组成。

1.1 风速模型

风能作为风力发电的原动力，直接决定了机组的动态性能，本文中风速Vwind由4个分量组成，分别为基础分量、阵风分量、渐变风分量、随机风分量[4]。即:

其中，基础分量Vbase为恒定风速，阵风分量Vgust可用正弦波或者余弦半波模拟，渐变风分量Vramp则用一定斜率的直线上升分量代替，随机风分量Vnoise可用频率、幅值可调的三角波代替。

1.2 风机模型

风力发电的原理是利用风能的动力带动风车叶片旋转，再通过增速机提升旋转的速度来促使发电机发电[5]。风机末端输出的机械转矩Tm为:

其中，Pm、ωtur分别为风机的机械功率和转动角速度，风机的功率特性方程则为:

其中，ρ为空气密度，S为叶片的气流截面积，Cp为风能转换系数:

其中，λ为叶尖速比(即风机转动的线速度与风速的比值)，β为桨距角。

由式(3)、(4)可以看出，风机将风能转换成的电能与风速的3次方成正比，而风机能量转换率则与风机叶片的转速和结构参数有关。

1.3 永磁同步发电机模型

由于采用永磁体励磁，发电机不必从电网或发电机侧变流器得到无功功率；中间直流环节的存在，使得发电机与电力系统没有无功能量交换；根据风能变化，通过变速恒频控制优化系统输出功率。图2为PSCAD下的永磁同步电机模型。

对于直驱式风力发电系统，风机将与发电机同轴运行，发电机的运动方程为:

其中，Jm为发电机的转动惯量，Te为发电机的电磁转矩。

1.4 变流器模型

图3为全功率变流器的拓扑结构，其中所有的开关器件均采用全控器件IGBT。发电机的输出端与三相整流桥相连，整流桥输出端接储能电容，与右边的三相逆变桥形成背靠背的结构，逆变器的输出端通过滤波器并入电网，故该结构又称为背靠背双PWM变换器。

2 控制模型

由于本文是以不断变化的风速为输入量，因此随着风速的变化，发电机输出的三相电压会出现较大的波动。为了使整流桥输出的直流电压保持稳定、发电机侧电流与电压同频同相、保证发电机高功率因素运行，提高发电机的效率是整流桥控制的主要目标。图4为发电机侧三相桥式整流器的控制结构图。

将直流侧电压参考值与储能电容两端的电压差值通过PI调节器，由电压互感器得到与发电机输出电压同频同相的电压信号，将该信号与PI调节器输出信号相乘得到发电机侧三相电流的参考值，并通过PWM控制电路产生触发信号，控制整流桥中6个大功率开关管的通断。在该控制方式下，发电机侧的电流与发电机输出电压同频同相，使发电机在高功率因素下运行，提高了发电机的效率，同时使储能电容两端电压保持稳定，为逆变器提供了良好的直流电源，提高了并入电网的电能质量。

电网侧三相桥式逆变器的控制结构如图5所示，控制目标就是使输出的有功功率(Pinv)、无功功率(Qinv)跟随给定值Pref和Qref，保证逆变器输出电流与电网电压同频同相，实现电网侧功率因数为1，减小并网电流谐波，提高并网电能质量。

电网侧逆变器采样电网侧电压usa、usb、usc和输出到电网的电流isa、isb、isc经过功率计算单元得到实际输入电网的Pinv、Qinv，可由式(6)描述为:

其中，vd、vq，id、iq分别是三相电压、电流经过3s/2r变换后得到的在同步旋转坐标下的分量。在dq坐标下，若令d轴沿电网电压的方向，则vd为0，于是式(6)可简化为:

如果电网电压恒定，则vq也恒定。电网侧变流器与电网交换的有功、无功功率可以通过控制交轴和直轴电流iq、id来实现。将有功功率参考值(Pref)、无功功率参考值(Qref)与Pinv、Qinv差值分别通过PI调节器，选择适当的调节参数，就可以得到在dq坐标系下的电流参考值iq-ref、id-ref，再经过2r/3s变换，得到三相静止坐标下电流参考值ia-ref、ib-ref、ic-ref，最后经过PWM控制电路产生触发信号，控制逆变桥6个大功率开关管的开关状态。

在变速恒频风电系统中，可以调节Pinv使风机工作在最大功率运行点，即最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)，风机的功率特性曲线如图6所示。由式(2)得出输出功率Pmax为:

在同一个风速下，不同转速会使风力机输出不同的功率，如果追踪Pmax曲线，则必须在风速变化时，及时调整风机转速，保持最佳叶尖速比。考虑到风机的效率问题，有功功率的参考值为:

为了保证并网功率因素λ为1，将无功功率参考值Qref设为0。

3 仿真验证

基于以上模型，为了验证控制方式的可行性及性能，在PSCAD/EMTDC中搭建电路进行仿真验证，仿真时间为40 s，仿真参数设置如下:

(1)风速参数:基础分量8.2 m/s，阵风分量幅值3.5 m/s、持续时间10 s，随机风分量由频率为1 Hz、10 Hz的三角波合成。

(2)风机参数:风机容量500 kW，风力机桨叶半径38 m，浆距角0°。

(3)同步发电机参数:极对数42，额定容量600 kVA，输出线电压1 kV。

(4)变频器参数:直流侧储能电容为30 000 μF，LC滤波器电容为10 μF，电感为2 mH，三角载波频率为10 kHz。

(5)电网参数:电网电压为10 kV，频率为50 Hz，变压器变比为1 k/10 k，负载为10 mW。

仿真结果如图7～图11所示。图7为风速和风机转动角频率的波形，在模拟自然风的情况下，风速的变化很大，本系统风机的转动速度能够随风速的变化而变化。风机总是工作在最大功率点处，从而保证了良好的风能利用率。图8(a)为电网侧逆变器输出a相电流在0～40 s内的波形，由于终端电压为电网电压保持不变，因此，随着风机输出功率的变化，逆变器输出电流也会随之变化；图8(b)为逆变器输出电流与电网电压在4.53 s～4.61 s内的波形，输出电流与电网电压同频同相，逆变器工作在单位功率因数状态。图9为同步发电机输出端其中一相的电流、电压波形，其电压、电流保持同频同相，因此发电机工作在单位功率因数状态。图10为风机输出的有功、无功功率波形，当系统稳定时，风机输出的有功功率随着风速的变化规律而变化，而无功功率保持为0。因此，整个风电系统的功率因数保持为1，从而验证了前面两个仿真结果。图11为全功率变流器中储能电容上的电压波形，可以看出，无论风速如何变化，储能电容上的电压可保持2 000 V恒定，避免对后级逆变器产生影响。

对基于永磁同步发电机的变速恒频风电系统进行了特性分析，并以电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC为平台，建立了系统的仿真模型。仿真结果表明，系统的动态、稳态特性均较好。在不断变化的风速下能稳定运行，风机工作在最大功率点处时，发电机侧输出电流接近正弦波，谐波含量少。整个系统以单位功率因数并入电网，使得并网电流的谐波小，并入电网的电能质量高。这种控制策略实现方法简单，在中、小型功率的风力发电并网中有一定的实用价值。

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