永磁直驱风力发电模拟平台的设计与研究

毕大强，宋修璞，葛宝明，李秋生

(1.清华大学，北京100084;2.北京交通大学，北京100044;3.台达能源杭州设计中心，杭州310051)

0 引 言

近年来，风力发电受到了世界各国家的普遍关注，其相关技术也得到了广泛研究，各种新型的风力发电机、最大功率点跟踪策略、功率变换器拓扑，及先进控制算法等都得到了越来越多的应用。然而风是一种自然现象，具有间歇性和不确定性，受现场恶劣条件的限制，若在实际风场进行实验研究，不利于验证新型理论和技术［1］。为了加强对风力发电技术的研究，不仅有必要在实验室中模拟风力机的实际工作特性，而且必须建立能验证变流器控制算法的平台，从而有利于风力发电系统研究的新理论、新技术得到验证。

目前主要采用基于直流电机的风力机模拟系统［2－3］。但由于受直流电机换向器和电刷的限制，其适合构建小功率风电实验平台。随着系统单机容量的增大，开始逐步采用基于异步电动机的风力机模拟系统。文献［4］推导了异步电机指令转矩值的计算方法，但没有对电机控制方法具体研究。文献［2－4］都没有进一步在风力机模拟平台的基础上去验证变流器的算法。文献［5］构建了硬件平台和控制软件在内的风力发电模拟平台，但仅验证了正常状态下的变流器算法。

本平台采用一台变频调速三相异步电动机带动一台三相永磁同步发电机运行，可以方便地通过计算机控制变频器实现三相异步电动机的转速调节模拟风机出力;在此基础上，设计软硬件结构，验证了双PWM 变流器的控制算法，并通过直流侧增加卸荷电阻来提高系统的低电压穿越能力;设计了基于Lab-VIEW 的上位机监控系统，此风电模拟设备可为教学演示以及算法创新验证提供一个比较完善的平台。

1 永磁同步发电机的数学模型及控制方法

根据建立永磁同步发电机数学模型的一般假设［6］，在d，q 同步旋转坐标系下，如果将旋转坐标系的d 轴与转子磁链相重合，永磁同步发电机的数学模型可以表示:

式中:Vd，Vq，id，iq是d，q 坐标系下的永磁同步发电机定子电压和电流;Ld，Lq是发电机定子直轴和交轴电感;Ψd，Ψq是d，q 轴磁链;p 为转子极对数;R是发电机定子电阻;ωg是发电机转速;Ψr是转子磁链;Tem为发电机电磁转矩;Twind为风力机转矩;J 为系统的转动惯量。

根据式(1)～式(6)数学模型，可以建立起永磁同步发电机的矢量控制系统。如图1 所示，控制外环为转速环，内环为电流环。发电机的转矩主要靠q 轴电流分量进行控制，d 轴电流分量可以用来调节励磁电流，从而实现单位功率因数运行，减小损耗［7－9］。转速环和电流环调节器都采用PI 调节器。发电机转速按MPPT 要求，随风速变化而变化［10］。

2 网侧变流器的模型及控制方法

电网侧变换器功能是稳定直流母线电压，将风力机捕获的功率传递到电网，并根据电网的需求向电网馈入无功功率。电网侧变流器在两相同步旋转坐标系下的数学模型如下:

式中:Rs，Ls分别为电网侧的电阻和电感;C 为总的直流母线电容;Sd，Sq为两相同步旋转坐标系下变换器的等效开关函数;isd，isq为变换器的d，q 轴电流;Vsd，Vsq为电网电压在d，q 轴上的分量;Vdc为直流母线电压;I0为等效的直流母线负载电流;ωs为电网频率。

当同步旋转坐标系的d 轴与电网A 相电压向量重合时，有:

式中:Vs为电网电压的幅值。在这种情况下，电网侧变流器馈入电网的有功功率P 和无功功率Q 分别:

由式(9)可知，当电网电压恒定时，控制d 轴电流即可控制馈入电网的有功功率，控制q 轴电流即可控制馈入电网的无功功率。重写式(7)中矩阵的前两式，可得电网侧变流器的电压方程:

3 低电压穿越

3.1 低电压发生装置原理

本套电网电压跌落发生器原理图如图2 所示。其中，多抽头绕组变压器的原边与电网相连接，每相副边通过两个电阻和四个继电器组成的图示电路与待测试的电力电子设备相连接。采用TI 公司的TMS320F2812 数字信号处理器作为主控芯片，控制继电器所需的特定时序触发信号，实现对电网电压故障的模拟。

图2 电网电压跌落发生器单相原理图

如图2 所示，以单相为例，正常电网条件下KM1 导通，KM2 ～KM4 关断，当电压发生跌落时，控制继电器按照如下顺序动作:KM2 导通－KM1 关断－KM3 导通－KM2 关断，此时副边L2 输出与网侧变换器相连，由于L2 的变压低于L1，因此输出电压发生了跌落变化，此过程中电阻起到在电压转换过程中限制短路电流的作用。通过控制跌落和恢复过程的时间间隔，可以控制故障电压持续的时间，从而模拟出需要的电压故障。三相进行类似的控制，就可以模拟出电网电压的各种故障，如三相电压跌落、不对称电压跌落等。

3.2 直流侧增加卸荷电路以提高低电压穿越能力

图3 为直流侧增加卸荷电路的永磁直驱风力发电系统。直流卸荷电路用于在电网故障条件下保持直流侧电压稳定，该方法是目前永磁直驱风电机组最常用的一种保护电路方式［11－12］。

图3 直流侧增加卸荷电阻的永磁直驱风电系统结构图

当电网电压突然跌落时，网侧电流值在网侧变流器限幅值以内，网侧变流器功率开关管的占空比增大，直流母线两侧功率平衡，此时卸荷电路不工作。此后网侧电流值逐渐增大，当增大至网侧变流器的限幅值之后，网侧变流器电压外环饱和，网侧变流器失去了维持直流母线电压恒定的作用，直流母线处的输出功率小于输入功率，造成功率持续在直流母线处堆积，直流电压值持续快速升高，当增大至软件设定值之后，卸荷电阻投入工作。通过卸荷电阻消耗掉堆积在直流母线的多余能量保持输入输出功率平衡，使电网故障对机组运行基本不产生影响［13］。

图4 为直流侧卸荷电阻控制策略框图，将直流侧电压增大幅度作为主要判断逻辑。当直流母线电压超过其给定值一定值，令占空比d=1，投入卸荷电阻;当小于设置值时，令占空比d=0，使其切出。为防止由于直流母线电压波动造成的卸荷电阻频繁投入切出，需要在投入和切出的电压设定值之间设置滞环。

图4 直流侧增加卸荷电阻控制原理图

卸荷电路中的卸荷电阻值需要考虑直流侧允许的最高电压和所消耗的最大功率。忽略电路的非线性因素，卸荷电阻取值:

4 模拟平台的设计与实验研究

根据上述原理，搭建了一台以TMS320F2812 为控制核心，功率为7.5 kW 的永磁直驱风力发电系统模拟平台，电气连接图如图5 所示。

4.1 模拟平台结构和功能设计

模拟实验平台的外观如图6 所示。

本平台选用的拖动电机额定功率为9 kW，永磁同步发电机额定功率为7.5 kW、额定转速为1 000 r/min，正常运行时，直流母线电压稳定在640 V。当电网电压跌落时，母线电压上升到680 V 卸荷电路动作，卸荷电阻为50 Ω。

并网侧是由三相电压跌落发生器连接电网，用以模拟电网的跌落状态。

机侧变流器和网侧变流器分别采用两块DSP开发板控制。开关频率均为10 kHz，通过控制双PWM 变流器，实现系统的最大功率跟踪、稳定直流母线电压，并可控制流向电网的无功功率。

4.2 模拟平台实验监控

基于美国NI 公司的LabVIEW 软件设计研发了试验平台的上位机监控系统。监控界面分为四个部分:主界面、风力机模拟界面、曲线观测界面和低电压实验界面。

上位机监控系统通过RS－485 通讯接口与变频器、电压跌落控制器、机侧变流器和网侧变流器相联。图7 为永磁同步风力发电机试验台的上位机软件主界面。

图7 永磁同步风力发电机试验台上位机主界面

该主界面包括:状态变量观测区域、网侧通讯区域、变频器通讯区域、机侧通讯区域、低电压通讯区域和数据保存区域。

点击主电路合闸，网侧通过不控整流对直流母线电容预充电。启动网侧变流器，待母线电压稳定在640 V 左右时，就可以启动风机并向电网发出一定的功率了。

图8 为拖动电机额定转速、并网功率7.5 kW时的上位机曲线观测界面。图9 显示此时风机运行在最大功率运行点上。图10 为额定状态下电压跌落50%、跌落时间500 ms 时的曲线观测界面图。

从曲线观测界面可以看出:(1)在网侧变流器电流限幅作用下，网侧电流在电压跌落期间增大有限;(2)电压跌落期间，由于直流母线电容两侧功率不平衡的缘故，母线电压会升高;(3)在网侧电压跌落瞬间，由于电感作用网侧电流基本不变，网侧功率跌落到此前的50%左右，随着网侧电流值增大至限幅值，网侧功率随之增大;网侧电压恢复瞬间，同样由于网侧电流变化的滞后性，使网侧功率瞬间增大。(4)当网侧电压恢复一段时间里，网侧电流和功率恢复至跌落前水平，低电压穿越结束。

上位机操作流程如图11 所示。

4.3 实验结果与波形深入分析

以下是针对平台的实验结果和波形分析。图12 为电机转速1 000 r/min、并网功率为7.5 kW 时的电流波形，有效值9.4 A。从图12 中可以看出，并网电流波形三相对称、谐波较少。

图12 额定状态下并网电流波形

图13 为电网A 相电压与电流波形。从图13 中可以看出，电网电压与电流同相位，实现了单位功率因数并网，提高了电能质量。

图13 稳态时电网A 相电压与电流波形

图14 为电网电压发生三相对称跌落时(跌落深度50%，跌落持续时间1 213 ms)直流母线电压、卸荷电阻电流、三相并网电流及电网电压波形图。从图14 中看出，实验波形与上述理论分析一致。跌落期间当母线电压升至680 V 左右时，卸荷电阻动作，降至630 V 左右时，卸荷电阻切出。电网电流随着电网电压跌落稍微滞后上升，随着电网电压恢复稍微滞后恢复。

5 结 语

本文设计了一种功能完整、体系开放、上位机友好的直驱风电系统平台。实验结果表明，在正常并网运行以及电网故障状态下，平台较理想地完成了设定的控制目标，证明了该平台的有效性、实用性，为在实验室中研究永磁直驱风力发电技术、开展风力发电教学提供了实践平台。

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