直驱永磁风力发电系统双PWM变流器控制技术

周志钢，厉 伟，董文忠

(1.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870;2.兴城市广播电视台，辽宁 葫芦岛 125100)

直驱永磁风力发电系统双PWM变流器控制技术

周志钢1，厉 伟1，董文忠2

(1.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870;2.兴城市广播电视台，辽宁 葫芦岛 125100)

在风力发电系统中，变流器是实现能量高效、稳定转换的关键。研究了直驱永磁风力发电系统的控制原理，建立了双PWM变流器机侧和网侧的数学模型。机侧变流器采用转子磁场定向矢量控制方式，网侧变流器采用电网电压定向矢量控制方式，实现有功和无功功率的完全独立解耦控制。仿真和试验结果表明:该控制策略可有效地实现最大风能捕获，维持直流母线电压稳定，实现发电机组的平滑并网，具有良好的动态响应。

风力发电;双PWM变流器;矢量控制;独立解耦

随着可再生能源的发展，风力发电在能源结构中所占的比例不断提高。由于直驱永磁风电机组运行高效稳定、故障率低等优势，从而在兆瓦级风电机组中得到广泛应用，并已经成为主流机型［1］。本文针对直驱永磁风力发电系统双PWM全功率变流器的机侧和网侧控制技术展开研究。机侧变流器对永磁同步发电机的控制实现最大风能功率追踪，网侧变流器［2］通过输出并网控制，实现直流母线电压稳定，输出功率独立解耦控制。在Matlab/Simulink环境下对直驱永磁风力发电系统进行仿真建模，通过对仿真和试验结果分析，验证了控制策略的可行性和有效性。

1 直驱永磁风力发电系统

直驱永磁风力发电系统［3］由风力机、永磁同步发电机、双PWM变流器、控制系统等组成，其拓扑结构如图1。

风力机通过齿轮箱和联轴器与发电机相连，经过双PWM整流逆变环节后通过发电机定子将电能传输给电网。

1.1 风力机数学模型

图1 直驱永磁风力发电系统

风力机是一种将截获流动的空气所具有的动能转换为拖动发电机旋转的机械能的装置。

风力机将风能转换成有用输出功率为

式中:ρ为空气密度;S为桨叶扫掠的有效截面积;V为风速;Cp为风能利用系数，一般Cp＜0.593。同时Cp与桨距角β和叶尖速比λ存在如下关系:

1.2 永磁同步发电机数学模型

永磁同步发电机是一个非线性、强耦合、多变量的系统，其机电能量转换是通过基波磁场来完成的。为了获得电机良好的动稳态性能，采用坐标变换将交流分量变换为直流分量，在同步旋转坐标系中的定子d-q轴等效电路如图2和图3所示。

图2 q轴分量等效电路

图3 d轴分量等效电路

图中:usd、usq分别表示发电机定子电压的dq轴分量;isd、isq分别表示发电机定子电流的d-q轴分量;ψf分别表示发电机转子永磁体磁链;Ld、Lq分别表示发电机定子电感d-q轴分量;R表示发电机定子电阻;ωe表示发电机同步转速;np表示发电机极对数;p表示微分算子。

永磁同步发电机在d-q轴坐标系下，

其中，电压方程为

本文针对永隐极式的永磁同步发电机展开研究，即Ld=Lq，转矩方程可简化为

由式 (6)可以看出通过控制发电机定子q轴电流实现对发电机转矩的控制。

2 双PWM变流器控制技术

直驱永磁风力发电系统机侧变流器和网侧变流器控制策略［4-5］进行分析，实现最大功率跟踪和直流母线电压稳定、输出有功功率和无功功率的独立调节。其中，机侧变流器采用基于转子磁场定向的矢量控制方式，实现对发电机转矩和转速的控制并实现最大功率跟踪;网侧变流器采用基于电网电压定向的矢量控制方式，实现在对输出有功功率和无功功率独立解耦控制基础上维持直流母线电压稳定。

2.1 机侧变流器控制策略

机侧变流器的控制策略采用基于转子磁场定向矢量控制，对d-q轴同步旋转坐标系d轴定向。在忽略磁链暂态特性，转子磁场以同步速度旋转并定向于d-q坐标系的d轴的前提下，永磁同步电机在同步旋转坐标系中的稳态电压方程为

由 (7)式可知通过控制定子电流id和iq实现对idref和iqref跟踪，实现发电机转矩和转速的控制。机侧变流器采用双闭环控制，即转速外环和电流内环，控制方程为

式中:Risd- ωeLqisq和Risq+ωeLdisd+ ωeψf是消除d-q轴定子电压、电流分量交叉耦合的前馈补偿相。通过补偿，简化了控制，实现了发电机功率的完全独立解耦控制和最大功率跟踪。双闭环控制中，转速外环控制得到定子电流q轴分量参考值isqref，将d轴电流分量参考值设定为isdref=0。在电流内环中，实际电流isd和isq参考电流isdref和isqref做差比较得到的电流误差信号Δi通过PI调节器后，同时引入前馈补偿信号后得到调制电压ud和uq，最后坐标变换后通过空间矢量脉宽调制后得到机侧变流器的PWM信号。基于以上分析，机侧变流器矢量控制如图4所示。

图4 机侧变流器矢量控制框图

2.2 网侧变流器控制策略

网侧变流器的控制任务是在维持直流母线电压Udc恒定的基础上，保证输出与电网电压同频同相的交流电压和输出有功功率和无功功率的独立解耦控制［6］。

在同步旋转坐标系中，网侧变流器的输出电流满足:

式中:u'd和u'q是d轴和q轴电流存在一阶微分关系的电压分量，通过电流变化的比例积分环节来实现。在此基础上，利用前馈解耦控制，补偿交叉耦合相，实现了d-q轴电流的独立解耦控制。

网侧变流器采用基于电网电压定向的矢量控制，也就是将电网电压ug定向于同步旋转坐标系d轴，则电网电压满足:

网侧变流器输出电压方程改写为

式中:ud、uq、id、iq分别表示网侧变流器输出电压、电流d-q轴分量;L和R分别表示网侧变流器的三相进线电抗器电感和线路电阻;idref、iqref分别表示网侧变流器输出参考电流d-q轴分量;idc为网侧变流器直流母线电流;iL为负载电流;udc表示直流母线电压。根据KCL定律可得:

式中:Sd、Sq为d-q坐标系中开关函数。

网侧变流器向电网输出的有功功率和无功功率分别为

式 (14)表明网侧变流器直流母线电容电流idc包含有功电流分量Sdid和无功电流分量Sqiq，暂时不考虑变流器和电网之间的无功功率交换，即定义iq=0，则可得:

式 (16)表明了直流母线电压变化率与有功电流id的关系。直流母线电压可通过控制有功电流id实现维持稳定。式 (15)表明网侧变流器无功功率通过控制iq实现。基于以上分析，网侧变流器矢量控制如图5所示。

图5 网侧变流器矢量控制框图

基于以上控制策略分析，机侧变流器采用基于转子磁场定向的矢量控制，控制策略程序写入机侧DSP内，通过控制IGBT导通来实现发电机功率的输出。网侧变流器采用基于电网电压定向的矢量控制，控制策略程序写入网侧DSP内，通过控制IGBT导通来实现网侧合闸，并给电容器充电。一般情况下，网侧变流器运行于单位功率因数，也就是将网侧变流器的无功功率设置为0。通过网侧变流器有功、无功功率的实际值与参考值比较，并将差值经过外环功率PI控制器，计算得出定子q轴和d轴电流参考值，然后将电流参考值经过内环电流PI控制器，得到网侧变流器的调制电压，经坐标变换后采用空间矢量脉宽调制后得到IGBT驱动信号。

3 仿真与试验对比分析

本文所建立的仿真模型:风力机模型、永磁同步发电机模型、双PWM变流器控制模型;试验平台的电机参数:额定功率20 kW，额定电压400 V AC，极对数16，Ld=Lq=20.56 mH;变流器采用双PWM全功率变流器;最后通过仿真和试验对比分析验证。

3.1 仿真结果

通过对基于上述控制策略建立的仿真模型进行仿真控制得到:电网电压d-q轴分量、网侧变流器有功功率、无功功率和直流母线电压仿真波形如图6、图7和图8所示;发电机定子电流仿真波形如图9所示。

图6 电网电压d-q轴分量

图7 网侧变流器输出有功功率和无功功率

图8 直流母线电压

图9 发电机定子电流d-q轴分量

图6表明，电网电压实现电网电压定向于d轴，使得ugd=ug和ugq=0;图7表明网侧变流器运行于单位功率因数，使得 Qg=0，Pg=19.7 kW，实现功率的独立解耦控制;图8表明，直流母线电压开始有一定的超调，但很快稳定于额定值580 V，实现了直流母线电压的快速稳定;图9表明发电机定子电流在0～0.03 s快速上升，0.03 s以后isq=is=30.3 A，isd=0，实现了转子磁场定向的矢量控制。

3.2 试验验证

试验平台如图10、图11所示，通过对拖机组模拟风力机发电，通过并网柜中的双PWM变流器对其进行并网控制。

图10 直驱永磁风力发电系统并网试验台

3.3 试验结果

通过试验平台获得如下试验结果，其试验波形如图12～图15所示。

图11 变流柜内部结构

图12 电网电压d-q轴分量

图13 直流母线电压

图14 发电机定子电流d-q轴分量

图15 并网瞬间网侧逆变器输出电压和电网电压

在试验机组稳定运行时，所得试验结果:图12表明，电网电压实现电网电压定向于d轴，使得ugd=ug=400 V和ugq=0且存在一定的波动;图13表明直流母线电压在网侧变流器预充电时0～0.2 s缓慢上升，最后稳定于580 V;图14表明发电机定子电流小幅震荡并稳定于isq=is=29.7 A，isd=0，实现了转子磁场定向的矢量控制。图15表明网侧变流器输出电压在并网瞬间幅值和相位逐渐跟随电网电压实现平滑并网。

根据仿真和试验结果:定子电流实现了独立解耦控制，控制定子有功功率和无功功率的输出;网侧电网电压实现了独立解耦控制，通过控制定子电流实现网侧变流器有功功率和无功功率输出控制;控制有功功率的平衡实现了直流母线电压稳定。最后，采用基于上述控制策略的双PWM变流器，实现了直驱永磁风力发电机组的平滑并网。

4 结束语

通过仿真和试验结果对比分析:网侧变流器通过采用基于电网电压定向的矢量控制方法，实现输出功率的独立解耦控制，实现单位功率因数运行;同时控制输出功率来维持直流母线电压稳定。机侧变流器通过采用基于转子磁场定向的矢量控制实现的定子电流的独立解耦控制，通过控制定子电流的转矩分量独立调节发电机输出有功功率。通过双PWM变流器的控制，实现永磁风力发电机组平滑并网。

［1］ 许睿超，罗卫华.大规模风电并网对电网的影响及抑制措施研究［J］.东北电力技术，2011，32(2):1-4.

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Control Technology of Dual PWM Converter for Direct-drive Permanent Magnet Wind Power System

ZHOU Zhi-gang1，LI Wei1，DONG Wen-zhong2
(1.School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China;2.Radio and TV Station in Xingcheng，Huludao，Liaoning 125100，China)

In wind power generation system，the converter is the key to achieve energy efficient and stable conversion.The control principle of direct-drive permanent magnet wind power generation system is studied，the mathematical model of stator side and network side of dual PWM converter are established in this paper.The vector control method based on rotor magnetic field oriented is adopted in generator side converter，and power grid voltage oriented is adopted in network side converter.Then，the completely independent decoupling control of active and reactive power is achieved.The results of simulation experiment show that proposed control strategy can effectively realize maximum wind energy capture，smooth grid-connection of generator unit，stable DC bus voltage and good dynamic response.

Wind power generation;Dual PWM converter;Vector control;Independent decoupling

TM46;TM614

A

1004-7913(2015)08-0037-05

周志钢 (1989—)，男，硕士，主要从事风力发电的变流器及并网技术研究。

2015-05-20)