基于双三电平变流器永磁直驱风力发电系统
2011-06-02谭国俊
刘 毅， 谭国俊， 李 渊，2
(1.中国矿业大学 信电学院，江苏徐州 221008;
2.江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 221003)
0 引言
能源和环境问题已成为当今世界各国关注的焦点问题。在已知的绿色、高效新能源和可再生能源中，风能作为永不枯竭的清洁能源，受到了世界各国的高度重视［1-2］。永磁直驱型风力发电系统是将风能转化为电能的一种形式。在永磁直驱风力发电系统中，风力机直接驱动永磁发电机，通过发电机将风力机获取的风能转化为电能，而永磁发电机定子端输出的交流电压的频率和幅值是随着风速变化的，需通过全功率变流器将不稳定的交流电变换为频率、幅值都恒定的交流电，最后送给用户或是电网。
随着风电机组单机容量越来越大，必然要求全功率变流器的容量也随之加大，这对变流器中功率器件的耐压等级提出了更高的要求，而现有器件的水平很难满足大容量系统的要求。研究适合大功率风电机组的大容量变流器显得尤为必要。三电平特有的拓扑结构，可以在电力电子器件原有的耐压水平基础上，提高变流器的电压等级，实现变流器传输较大功率电能的目的，同时克服了两电平变流器交流侧波形畸变率高的缺点［3］。
目前，国内研究永磁直驱同步风力发电系统多集中在采用不控整流+Boost升压斩波+逆变的拓扑结构、两电平双PWM拓扑、不控整流+电流源型逆变器的拓扑结构以及并联两电平背靠背PWM变流器［4-8］，对于采用双三电平拓扑结构的永磁直驱风电系统的研究则相对较少。
本文将“Back-to-Back”双三电平变流器拓扑结构用于永磁直驱式风力发电系统。采用最佳叶尖速比的最大风能跟踪方法，基于转子磁链定向的矢量控制方法实现机侧三电平变流器的控制;对于网侧三电平变流器的控制，提出了基于虚拟磁链定向［9］和瞬时功率理论的定频直接功率控制。最后基于MATLAB/Simulink搭建了系统仿真模型，仿真试验验证了所述控制策略的有效性和正确性。
1 永磁直驱风力发电系统
本文采用的风电变流器是由两个背靠背连接的三电平电压型脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)变换器构成的交 －直 －交(AC-DCAC)变流器，如图1所示。
图1 “Back-to-Back”双三电平变流器系统原理图
采用三电平双PWM全功率风电变流器，对发电机侧的整流器和电网侧的逆变器进行独立控制。PWM整流桥能使发电机运行在最优工作点，并且可以提供几乎正弦的电流，从而减少发电机侧的谐波。网侧变流器为三相电压型逆变器，其实质是PWM整流器工作在逆变方式。网侧变流器提供恒定的直流母线电压，并使网侧电流相位跟随电网电压相位，波形近似正弦。通过对双PWM变换器的控制，将永磁发电机发出的变频变幅电压转化为恒频恒幅电压。
2 永磁同步电机数学模型
基于等功率坐标变换，将d轴正方向定向在永磁体基波磁场方向上，q轴沿转子旋转方向超前d轴90°电角度，可以得到dq坐标系下永磁同步电机的数学模型如下。
定子磁链方程:
定子电压方程:
电磁转矩为
Te=1.5 np(Ψsdiq－ Ψsqid) (3)
式中:Ld、Lq——d、q 轴定子线圈自感;
isd、isq——等效的交、直轴电流;
Ψsd、Ψsq——等效的交、直轴磁链;
Ψf——发电机中转子永磁体建立的磁链的幅值;
usd、usq——等效的交、直轴电压;
ωe——发电机转子旋转的电角速度;
Rs——发电机每相定子绕组的电枢电阻;
np——永磁电机的极对数。
3 机侧变流器控制策略
对机侧变流器的控制主要为了实现两个目标:一是使电机定子端能够输出单位功率因数的电能;二是实现对电机转速的控制，进而跟踪最大风能。机侧变流器控制原理图如图2所示，采用转子磁链定向、直轴电枢电流为零的矢量控制策略。
图2 机侧变流器控制原理图
在三电平PWM整流器数学模型基础上，采取电流矢量解耦控制，独立控制发电机输出电流的有功和无功分量，实现无静差控制。控制系统采用速度外环、电流内环的双闭环控制方式。其中外环速度参考值由最佳叶尖速比最大风能跟踪算法得出，与实际电机转速ωr相比较，差值Δω送给PI调节器得到有功电流参考值。为了实现发电机输出单位功率因数的电能，令=0。将检测到的发电机定子三相电流经坐标变换，得到 id、iq，使其跟踪指令值，控制发电机的电磁转矩Te，从而控制发电机转速跟踪最优的转速。
4 网侧变流器控制策略
网侧变流器的主要任务是控制直流母线电压恒定和调节并网的有功和无功功率，抑制电网输入电流谐波。针对电网电压定向的控制策略需要电压传感器，本文基于无需电压传感器，抗电网电压扰动的电网虚拟磁链定向，采用瞬时功率理论的定频直接功率控制，实现网侧变流器的有效控制。
虚拟磁链定向时瞬时功率表达式为
三电平基于虚拟磁链定向的定频直接功率控制框图如图3所示。
图3 基于虚拟磁链的SVM-DPC
网侧变流器控制采用双闭环控制策略，分别为外环直流电压环、内环功率环。直流电压环起到控制直流母线电压稳定的作用，在控制时将采样到的直流母线电压udc和电压给定值u*dc相比较，偏差值经由PI调节器得到有功电流参考值。参考电流值与直流输出电压相乘后得到有功功率参考值p*，以此作为有功功率的给定。内环直接以有功和无功作为控制对象以实现网侧变流器输出电流的正弦化且保证电流相位和电压相同。将由虚拟磁链和网侧电流计算得到的瞬时有功和无功功率分别与各自的给定值相比较，然后将偏差送给功率调节器，经坐标变换得到交流侧电压参考信号，进而实现网侧变流器的控制。
5 仿真分析
为验证所述控制策略的正确性和有效性，在MATLAB/Simulink软件平台下，搭建了基于“Back-to-Back”双三电平变流器的永磁直驱风电系统模型，如图4所示。电机参数如下:定子绕组等效电阻 Rs=0.05 Ω，等效电感 Ld=Lq=0.635 mH;电机极对数为 Np=10;永磁磁通为Ψf=0.192 Wb;惯性系数 J=0.011 kg·m2;摩擦系数F=0.001 889 N·m·s;直流母线电压给定值Udc=180 V，直流侧电容值 C1=C2=2 200 μF，交流侧电网电压 Em=80 V，滤波电感 L=0.2 mH，开关频率 f=2 kHz。
仿真波形如图5～图11所示。
从图5可以看出，在风力发电系统中电机转速很好地跟踪了风机转速，此时用最佳叶尖速比跟踪最大风能的方法得到的风能利用系数Cp=0.438。图6所示为永磁发电机定子输出三相交流电流，通过机侧PWM整流器的控制，实现了输出电流的正弦化。图7为直流母线电压波形，可见通过网侧变流器的外环控制，在风速突变时且风力机输出转矩跌至很小时，直流电压仍能控制在给定值附近。图8为网侧电流波形，图9为网侧A相电压和电流波形，电压电流的相位完全相反，实现了单位功率因数发电的预期效果。图10、图11为输出有功、无功波形，表现出良好的解耦控制效果。仿真结果很好地证明了所采用双三电平变流器拓扑结构和控制方法是行之有效的。
图4 永磁直驱风力发电系统仿真模型
图5 电机给定转速和实际转速波形
图6 PMSM定子电流波形
6 结语
图7 直流母线电压
图8 网侧电流波形
本文基于双三电平拓扑结构，建立了永磁直驱风力发电系统的模型，对风速变化条件下的系统动态特性进行了仿真研究。控制系统采用基于转子磁链定向的矢量控制方法，以及基于虚拟磁链定向、瞬时功率理论的空间矢量调制定频直接功率控制方法。仿真试验分析表明采用所述策略较好地实现了永磁直驱风力发电系统的控制，验证了控制策略的正确性和有效性，具有良好的工业应用前景。
图9 电网A相电压、电流波形
图10 输出的有功功率
图11 输出的无功功率
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