永磁直驱同步风力发电机变流器仿真分析

陈丽娟，唐勇奇，林轩，胡涛

（湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101）

永磁直驱同步风力发电机变流器仿真分析

陈丽娟，唐勇奇，林轩，胡涛

（湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101）

摘 要：根据风力机的输出特性，阐明最佳特性曲线法实现风力发电系统最大功率追踪的原理，选取背靠背电压型双PWM变换器为研究对象，在参考坐标变换理论基础上，分析并搭建了永磁同步电机和PWM变换器的数学模型，为仿真分析提供依据。依据变换器控制的数学模型，对网侧变换器和机侧变换器的控制策略进行了研究。网侧变换器采取前馈解耦方案，实现VSR的有功、无功功率解耦控制，获得基于电网电压定向的双闭环控制策略；机侧变换器采用零D轴电流控制策略，基于转子磁场定向的矢量控制方法，通过矢量控制方法实现对定子电流的控制，达到良好的转矩控制性能；基于MATLAB软件对设计的系统进行理论仿真验证，仿真结果证明矢量控制策略具有良好的稳态和动态性能。

关键词：双PWM；永磁同步电机；最大功率追踪；矢量控制

0 引言

风能作为清洁能源之一，其资源储量大而且无污染，是21世纪发展最快的清洁能源。据统计，世界上可利用发电的风资源是水资源储量的十倍多，因此，风力发电在未来能源结构改革中占有绝对主力位置。2012年，风力发电占全国电力的2%，据《中国风电发展路线图2050》报告[1]预测：2020年，2030年，2050年，风电占届时全国电力需求的5%，8%，17%。随着我国风力资源的开发，带来了风力发电技术的高速发展，其中变流器技术是其中之关键，目前该技术主要掌握在国外手中，我国也在积极研究当中。

目前，全球所运用的风力发电机最为普遍的是双馈式风力发电机和直驱式永磁同步发电机[2]。双馈式风力发电机需要齿轮箱连接叶轮和发电机，以达到升速的目的，但是由于齿轮箱存在造价高昂，故障率高，且噪音大等缺点，双馈式风力发电机逐渐被直驱式永磁同步风力发电机取代；其次，由于双馈式风力发电机定子侧直接与电网刚性耦合，当电网出现故障时，能直接影响发电机，减短发电机的使用寿命。而直驱式永磁同步发电机完全弥补以上两个重大缺陷，所以未来的风力发电系统直驱式永磁同步风力发电机的比重将会越来越大。目前，国内生产直驱式永磁同步风力发电机组的企业有新疆金风有限公司、湘电风能有限公司等。

永磁同步发电机的并网变流器结构主要有三种：不控整流+PWM逆变、不控整流+boost升压斩波+PWM逆变和PWM整流+PWM逆变（双PWM）。不控整流+PWM逆变具有结构简单易于实现的优点，但是由于其机侧变流器采用不可控整流，不能对发电机的转矩进行控制，即不能实现最大功率追踪，且直流侧电压不稳定，纹波较大等缺点，该种控制方法只运用在容量的变换当中；不控整流+boost升压斩波+PWM逆变与前者相比较，其优点是能够对直流母线电压进行控制，但是存在无法对最大功率进行跟踪的缺点；双PWM型变流器[3-4]弥补以上两者缺点，其还具有机侧功率因数高，谐波含量少等优点。双PWM型变流器将是未来风力发电变流器发展趋势。

作者通过对永磁同步风力发电机及变流器的拓扑结构进行数学建模，通过Matlab/Simulink进行仿真，验证其可行性及正确性。

1　建立数学模型

如图1所示为双PWM型变流器拓扑结构，风能经过叶轮装换为机械能，通过传动轴带动发电机转子转动，再通过电磁感应装换为幅值、频率变化的交流电，然后通过机侧PWM型变流器整流成为稳定的直流电，最后通过网侧PWM变换器逆变成为和电网等幅、同频、同相位的交流电。

1.1机侧变流器的控制策略

1.1.1 坐标变换理论[5]

坐标变换的原理就是把三相交流电模型转换为相互独立的两相直流电进行解耦控制。其过程包括三相静止坐标系转换成两相静止坐标系abc，两相静止坐标系αβ转换成两相旋转坐标系dq，如图2所示。

图1　双PWM型变流器的拓扑结构Fig.1 Topology structure of dual PWM converter

图2　3s/2s与2s/2r变换Fig.2 3s/2s and 2s/2r transform

1.1.2 发电机数学模型

忽略定子铁心饱和，不计涡流损耗与磁滞损耗，转子上没有阻尼绕组，且空间磁势及磁通分布为正弦时，永磁同步发电机在dq坐标系下的数学模型如式(1)所示：

其中，usd和usq分别为d轴和q轴电压；isd和isq分别为d轴和q轴电流；Lsd和Lsq分别为定子直轴电感和定子交轴电感；ψf为永磁体励磁磁链（不考虑温度影响，为一常数）；ws为定子电角速度；Rs为定子相电阻。

由式(1)可知，d轴和q轴电流相互耦合，给控制带来很大难度，因此通常采用前馈解耦方式，加入PI控制器，则上式可做如式(2)所示的变换：1.1.3 基于最佳功率给定的风能跟踪控制原理[6-8]

风力发电机组把风能转换为电能的第一步是通过风力机转换为机械能，其在空气中捕获并转换的风能功率可用式(3)表示：

式(3)中：ρ为空气密度；r为风力机叶片的长度；v为风速；Cp为风力机的风能利用系数。叶尖速比λ是叶片叶尖线速度v1与风速v的比值，其表达式如式(4)所示：

式(4)中：w为风力机的机械角速度；R为风力机的叶片半径。将式(4)代入式(3)可得：

式(5)中：Pmax为最大功率；λm为最佳叶尖速比；Cpmax为最大风能利用系数。

由于风电场中的风速大多数情况下都低于额定风速，因此这里只针对额定风速以下的风况进行研究。即变桨系统不动作，桨距角等于零。

如图3所示，在不同桨距角的情况下只有唯一的一个最佳叶尖速比λm和风能最大利用系数Cpmax相互对应，因此在桨距角固定的情况下，λm和Cpmax均为定值，即式中k为定值，因此风力机吸收功率的大小仅与叶轮转速相关。下面以桨距角为0°进行分析。

如图4所示，在不同风速的情况下，叶轮捕获的最大功率仅对应一个最佳转速，因此，在风力发电机型号确定的情况下，进行最大功率追踪仅取决于叶轮的转速。

因此，机侧变流器采用基于坐标变换的双闭环空间矢量控制策略。双闭环即转速外环，实现最大功率追踪；内电流环，采用id=0的控制策略，实现对发电机的转矩控制。其控制结构图如图5所示：

1.2网侧变流器的控制策略[9]

网侧变换器采用以电网电压定向的矢量控制，则其dq坐标系下得数学模型如式(6)所示：

图3　最佳叶尖速比λ与最大风能利用系数Cp关系曲线Fig.3 The optimal tip speed ratio lambda and maximumwind energy utilization coefficient Cp curve

图4　风力机功率与转速对应关系曲线Fig.4 The relationship curve of the power andthe speed of the wind turbine

图5　转矩控制结构图Fig.5 Torque control structure diagram

式(6)中：ugd和ugq分别为网侧变流器输出端d轴和q轴电压；igd和igq分别为d轴和q轴电流；Lgd和Lgq分别为直轴和交轴滤波电感；wg为电网电角速度；Rg为电网输电线等效阻抗；ed和eq分别为电网d轴和q轴电压。

为使网侧逆变器运行在单位功率因数下，令ed=Es，eq=0；其中，Es为电网电压幅值。再进行解耦控制，为使输出电流能够快速跟踪给定电流，采用电流PI调节器实现闭环控制。PI 调节器输出如式(7)所示：

为了维持直流侧电压的稳定，网侧变流器采用电压外环、电流内环的双闭环方式。电压外环的输出作为电流内环有功电流的给定，其控制结构图如图6所示：

图6　电压外环输出作为电流内环有功电流的给定控制结构图Fig.6 Voltage outer loop output as a given controlstructure of active current in current loop

2　仿真研究[10]

通过研究机侧变流器与网侧变流器的控制策略，在Matlab/Simulink下搭建了仿真模型。如图7所示，其中仿真模型中给定部分条件为永磁同步发电机极对数为20，交直轴电感均为0.003H，定子相电阻为0.002Ω，磁链为0.821Wb，转动惯量为8kg/m2，直流侧电容为5mF，直流侧额定电压为350V，网侧线电压有效值为120V，50Hz，网侧滤波电感为1mH，每相等效电阻为0.5Ω，模拟实际中当直流端电压高于额定电压时才向电网送电，因此给定直流侧电容初始值为350V。

图7　双PWM型变流器仿真模型Fig.7 Simulation model of dual PWM converter

在给定转矩T=-20kN*m，给定转速为42rad/s时，发电机转速波形如图8所示，机侧三相电流如下图9所示，坐标变换后dq轴电流的分量（分别为无功分量和有功分量）如图10所示，直流母线电压如图11所示，并网电流与电网电压波形如图12所示。

图8　发电机转子转速波形Fig.8 Generator rotor speed waveform

图9　发电机定子三相电流波形Fig.9 Generator stator three phase current waveform

图10　机侧dq轴电流波形Fig.10 Machine side DQ axis current waveform

图11　直流侧直流电压波形Fig.11 DC voltage waveform

图12　并网电流与电网电压波形Fig.12 Grid connected current and grid voltage waveform

图13　0.5S突加负载时发电机转速波形Fig.13 Generator rotational speed waveform with 0.5S process

由上述图可知，风力发电机实际转速能够很快跟踪给定转速，发出的电流能够呈现良好的正弦型，且无功电流d轴分量始终维持在零附近，有功电流q轴分量稳定，直流母线电压维持在350V，逆变器输出并网电流与电网电压保持同频反向，实现单位功率并网。

但是，在实际应用中，由于风速的不稳定性，当风速改变时，导致叶轮与发电机转子间的转矩发生变化，又由于最大功率追踪，导致给定转速变化，下面进行当风速改变时的研究。

假设转矩的初始值为-20kN*m，在t=0.5s时，变为-25kN*m；给定转速为42rad/s在t=0.5s变为56rad/s，此时机侧三相电流如图13所示，机侧dq轴电流（分别为有功分量、无功分量）如图14所示，直流母线电压如图15所示，电网电压与并网电流波形如图16所示。

通过图17的仿真波形可以看出，在风速突然变化时，风力发电机转速和转矩能够快速跟随新的给定值，机侧电流和网侧电流能够快速变化达到新的稳定，且变化前后仍能够保持良好的正弦型，直流侧电压始终保持在350V。

图14　0.5S突加负载时发电机定子三相电流波形Fig.14 Generator stator three phase currentwaveform with 0.5S process

图15　0.5S突加负载时机侧dq轴电流波形Fig.15 0.5S突加负载时机侧dq轴电流波形

图16　0.5S突加负载时直流侧电压波形Fig.16 DC side voltage waveform of 0.5S process

图17　0.5S突加负载时并网电流与电网电压波形Fig.17 Grid connected current and voltage waveform of 0.5S process

3　结论

通过理论推导风力发电机组及双PWM变流器的数学模型，进而搭建仿真模型进行仿真并对波形进行分析，论证了矢量控制理论的正确性以及给系统带来的稳定性。

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Simulation of the Converter of the Permanent Magnet Direct-drive Wind Power Generation System

CHEN Li-juan, TANG Yong-qi, LIN Xuan, HU Tao
（School of Electrical and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, China）

Citation: CHEN Lijuan,TANG Yongqi,LIN Xuan,et al..Sinmulation of the Converter of the Permanent Magnet Direct -drive Wind Power Generation System.[J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(6): 19‒26.

Abstract:The principle of MPPT control of the WEGS using optical characteristic curve is explained according to wind turbine output characteristics.The back-back voltage source dual-PWM converter is selected for the study.The mathematical models of permanent magnet synchronous generator and PWM converter have been analyzed and built after referring to the coordinate transformation theory.This has provided a basis for the simulation analysis.It is a study on the control strategies of grid side converter and machine side converter based on the mathematical model of converter control.Feed-forward decoupling scheme is adopted to achieve the active and reactive power decoupling control on grid side converter.This paper obtains a voltage and current double closed-loop controlling method based on grid voltage orientation.To achieve good torque control performance, the zero d-axis current control strategy is used for the machine side converter.The stator current control strategy is obtained based on the rotor flux orientation vector control method and vector control method.This can provide a reference for the selection of parameters.The simulation for the designed system is carried out using Matlab software.Simulation results verify that the method of vector control has good stability and dynamic performance.

Key words:Dual-PWM; Permanent magnet synchronous generator; MPPT; Vector control

作者简介：陈丽娟(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向为：风电控制技术；唐勇奇(1964-)，男，湖南新化人，教授，硕士，主要研究方向：电气控制；林轩(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向：风电控制；胡涛（1989-），男，湖北宜昌人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向：现代电力电子技术及系统。

*基金项目：国家自然科学基金（51177040）

本文引用格式：陈丽娟，唐勇奇，林轩，等.永磁直驱同步风力发电机变流器仿真分析[J].新型工业化，2015，5(6)：19-26 DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.06.04