基于双混合钳位式变流器的永磁直驱风力发电系统控制策略

曹海洋　沈建辉　姜子健　刘　稳

(1.中国矿业大学信电学院　徐州　221000　2.江苏省工程实验中心　徐州　221000 3.淮安供电公司　淮安　223001)

基于双混合钳位式变流器的永磁直驱风力发电系统控制策略

曹海洋1，2沈建辉1，3姜子健1刘稳3

(1.中国矿业大学信电学院徐州2210002.江苏省工程实验中心徐州221000 3.淮安供电公司淮安223001)

摘要针对大功率双三电平永磁直驱式风力发电系统，采用一种新型的混合钳位式三电平结构，在分析了其工作原理的基础上，对混合钳位式三电平变流器的64种电压空间矢量分别在能量馈入和馈出情况下对中点电位和钳位电容电压的影响特性进行分析，得出中点电位平衡调制策略；又对钳位电容的充放电回路进行分析，推导出钳位电容电压在能量馈出和能量馈入情况下，分别采用不同的电平状态切换的调制方式实现钳位电容电压的平衡。在对永磁同步发电机(PMSG)和混合钳位式整流器的数学模型研究的基础上，给出了对机侧变流器和网侧变流器分开控制的策略。在Matlab/Simulink 平台下搭建相应的仿真模型，通过仿真与实验验证了所提算法的正确性，并且具有较好的动、静态性能。

关键词：永磁同步发电机混合钳位双PWM变流器矢量控制

0引言

直驱式永磁同步风力发电系统因具有效率高、制造方便、控制效果好等优点，逐渐成为研究的焦点。主要研究包括：电网故障情况下风电系统持续运行[1]、系统中桨距的独立调节技术[2-4]、风电系统变流器拓扑结构[5]、无位置传感器永磁电机的矢量控制[6]、最大功率点跟踪控制[7-9]、多极永磁同步电机研究[10，11]等。对于永磁直驱式风力发电系统所需的全功率变换电路，目前已经提出了多种方案，已经投入商业化运行的主要是双PWM 变流器结构，这种拓扑结构可通过一定的控制策略在机侧和网侧产生近似正弦波的电流，提高了对电机转矩控制的功率因数。

双PWM变流器常采用二极管钳位式拓扑结构，但是这种拓扑结构桥臂内侧功率开关器件存在关断过电压、中点电位不平衡等缺陷[12-14]，在一定程度上限制了其应用。针对上述不足，本文对一种新型混合钳位式三电平变流器进行了研究，系统结构如图1所示，即在二极管钳位结构的基础上每相各增加了一个钳位电容。通过钳位电容的充放电控制可有效抑制直流侧中点电位的波动，实现电流的双向流动，同时所加钳位电容对各桥臂内侧功率开关器件的关断过电压进行钳位。

文献[15]对这种钳位式变流器的拓扑结构工作原理进行详细分析，并给出通过交替使用对中点电位影响特性相反的小矢量实现对中点电位的平衡控制，但是这种方法并没有给出钳位电容电压的平衡调制策略。文献[16]采用混合钳位式双PWM三电平变频调速实现系统的四象限运行，对于中点电位的平衡控制采用检测6个钳位电容电压和两个直流侧电容电压差值的方法来实现冗余矢量的优化选择。这种方法的控制精度受传感器参数的影响，而且冗余矢量优化选择过程也比较复杂，并且没有考虑钳位电容电压平衡调制策略。文献[17]采用双PWM变流器拓扑结构，网侧变流器基于虚拟磁链定向控制实现单位功率因数并网控制，并通过仿真和实验进行验证。

本文分析了其工作原理，得出中点电位和钳位电容电压的平衡策略，推导建立同步电机和整流器在旋转坐标下的数学模型，并将机侧变流器仿真模型和网侧变流器仿真模型统一参数后连接起来，利用Matlab/Simulink 进行仿真，通过仿真验证了控制策略的正确性。最后，通过实验，调节风速大小，观察网侧电压和电流波形。实验结果表明：双混合钳位式变流器用于永磁直驱风力发电系统，使系统具有良好的稳定性和动态性能。

图1　混合钳位式双三电平永磁直驱风力发电系统结构Fig.1　The hybrid clamp permanent magnet direct-driven wind generation system

1混合钳位式三电平变流器的拓扑及工作原理

1.1拓扑结构

混合钳位式三电平逆变器拓扑结构如图2所示。混合钳位式变流器的拓扑是在传统二极管钳位式结构的基础上增加了3个钳位电容Cx1、Cx2、Cx3，钳位电容和钳位二极管可以为负载电流提供双向通路。

1.2工作原理

混合钳位式三电平变流器存在4种开关状态，见表1，下面以a相为例来分析混合钳位式三电平逆变器的工作原理。

图2　混合钳位式三电平逆变器拓扑结构Fig.2　Topology structure of hybrid-clamped three-level inverter

表1　混合钳位式三电平变流器a相桥臂的开关状态

(1)P开关状态。功率开关器件Sa1、Sa2导通，Sa3、Sa4关断，定义这种开关状态为P态。在这种状态下，电流可以通过Sa1和Sa2由直流侧流向负载，或者通过Sa1和Sa2的反并联二极管VD11、VD12由负载流向直流侧，如图3a中实线箭头所示，此时相对于直流侧中点输出电平为Udc/2。在初始状态下，钳位电容Cxa预充电至Udc/2，当钳位电容电压小于直流侧电容C1的电压时，将由直流侧电容C1通过图3a中虚线所示回路Sa1—Cxa—VD12充电至Udc/2。

(2)A开关状态。功率开关器件Sa2、Sa4导通，Sa1、Sa3关断，定义这种开关状态为A态。在这种状态下，电流由直流侧电容C2经钳位二极管VD11和功率开关器件Sa2由直流侧流向负载，或者通过Sa2的反并联二极管VD12、钳位电容Cxa和功率开关器件Sa4由负载流向直流侧，如图3b中实线箭头所示，此时相对于直流侧中点输出电平为0。当直流侧电容C2电压值大于钳位电容电压时，钳位电容Cxa将通过图3b中虚线所示通路VD11—Cxa—Sa4进行充电；当直流侧电容C2电压值小于钳位电容电压时，钳位电容可以通过功率开关器件Sa4的反并联二极管VD14、钳位电容Cxa和功率开关器件Sa2组成的回路放电，如图3b中虚线所示。在这种开关状态下，钳位电容可以通过自身的充放电过程实现钳位电容电压和直流侧电容电压的自动均衡控制。

(3)B开关状态。功率开关器件Sa1、Sa3导通，Sa2、Sa4关断，定义这种状态为B态。在这种状态下，电流由直流侧电容C1经功率开关器件Sa1、钳位电容Cxa和功率开关器件Sa3的反并联二极管VD13由直流侧流向负载，或者通过功率开关器件Sa3和钳位二极管VD12由负载流向直流侧，如图3c中实线箭头所示，此时输出电平为0。当直流侧电容C1电压值大于钳位电容电压时，钳位电容Cxa将通过图3c中虚线所示通路Sa1—Cxa—VD12进行充电；当直流侧电容C1电压值小于钳位电容电压时，钳位电容可以通过功率开关器件Sa3、钳位电容Cxa和功率开关器件Sa1的反并联二极管VD11组成的通路向负载放电，如图3c中虚线所示。在这种开关状态下，钳位电容同样可以通过自身的充放电过程实现钳位电容电压和直流侧电容电压的自动均衡控制。

(4)N开关状态。功率开关器件Sa3、Sa4导通，Sa1、Sa2关断，定义这种状态为N态。在这种状态下，电流可以通过Sa3和Sa4由负载流向直流侧，或者通过Sa3和Sa4的反并联二极管VD13、VD14由直流侧流向负载，如图3d中实线箭头所示。此时相对于直流侧中点输出电平为-Udc/2。在初始状态下，钳位电容Cxa预充电至Udc/2，当钳位电容电压小于直流侧电容C2的电压时，将由直流侧电容C2通过钳位二极管VD11、钳位电容Cxa和功率开关器件Sa4充电至Udc/2，如图3d中虚线所示。

图3　4种电平状态下电流路径Fig.3　Diagrams of current circuit of four level state

因此，4种电平状态下，当直流侧电容C1或C2电压值大于钳位电容电压时，直流侧电容可以通过对钳位电容充电来降低自身的电压，减小中点电位的波动；而当钳位电容电压高于直流侧电容C1或C2电压值，并且电平状态是A态或B态时，钳位电容则可以通过向负载放电降低自身电压。因此，通过直流侧电容对钳位电容的充电及放电可以实现中点电位的自动均衡控制，减少中点电位波动。

2混合钳位式三电平逆变器SVPWM调制算法

混合钳位式变流器的电压空间矢量如图4所示。混合钳位式三电平变流器的调制算法与NPC三电平变流器的调制算法相比只是电压空间矢量的选择不同。电压空间矢量选择需要根据每个电压空间矢量对中点电位的影响特性和开关切换对钳位电容电压的影响共同决定。为保证钳位电容电压平衡，在能量馈出的状态下，在一个采样周期内，电平状态的切换应该遵循P↔A，B↔N的原则；在能量馈入的情况下，电平状态的切换应该遵循P↔B，A↔N原则。

图4　电压空间矢量Fig.4　Space voltage vectors

图5　合成参考电压矢量Fig.5　The reference voltage vector composition

由表2可知：在能量馈出状态下，1号和2号“七段式”电压空间矢量组合会造成中点电位下降；3号和7号“七段式”电压空间矢量组合会造成中点电位上升；5号、6号和8号“七段式”电压空间矢量组合对中点电位的影响特性不确定；4号“七段式”电压空间矢量组合会造成中点电位上升，但由于矢量PBB和矢量ANN的作用时间相等，二者对中点电位的影响特性可以相互抵消，相对于3号和7号而言，上升的幅度较小，因此选择4号组合，且均遵循P↔A，B↔N的原则，满足钳位电容电压平衡控制。同理分析，在能量馈入状态下，选择PAA→PAN→PNN→BNN→PNN→PAN→PAA来合成目标参考电压。

表2　合成目标参考电压ref的电压空间矢量组合对中点电位影响特性

3数学模型构建

3.1永磁同步发电机数学模型

建立永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)的数学模型是分析发电机性能及控制发电机的基础，为了分析简化，假设永磁同步发电机是理想发电机，即可忽略铁心磁饱和影响，不考虑涡流和磁滞损耗；认为永磁材料的电导率为零；转子上没有阻尼绕组；定子三相对称，感应电动势为正弦[18]。

采用矩阵坐标变换方法，规定发电机转子磁极轴线与d轴重合，q轴超前d轴90°电角度，得到dq轴坐标系下PMSG的数学模型为

(1)

式中，usd、usq分别为等效的交、直轴电压；ωe为转子旋转的电角速度，rad/s；Rs为每相定子绕组的电枢电阻；Ld、Lq分别为交、直轴定子绕组自感；isd、isq分别为等效的交、直轴电流；ψsd、ψsq为永磁体磁链的最大值。

PMSG的电磁转矩为

Te=Np(ψsdisq-ψsqisd)=Npisq[(Lq-Ld)id+ψf]

(2)

式中，Np为PMSG的极对数。

PMSG转子永磁体采用径向表面分布式，Ld=Lq，此时电磁转矩为

Te=Npisqψf

(3)

PMSG的运动方程为

(4)

式中，Tm为发电机转子的机械转矩，N·m；ωr为发电机转子角速度，rad/s，ωr=ωe/Np；J为发电机的转动惯量，kg·m2。

PMSG采用转子磁链定向控制，将d轴与PMSG转子磁链矢量ψf重合，并使isd=0、is=isa，此时，电磁转矩与定子q轴电流呈正比，通过调节isd即可调节PMSG的电磁转矩，进而调节发电机和风力机的转速。

3.2混合钳位式三电平PWM整流器的数学模型

混合钳位式三电平整流器的主电路拓扑结构如图6所示。

图6　混合钳位式三电平整流器Fig.6　The hybrid clamp three level rectifier

现引入开关函数Si(i=a，b，c)建立其数学模型[19，20]。当Si1、Si2导通，Si3、Si4关断时，Si=1；当Si1、Si3导通，Si2、Si4关断或Si2、Si4导通，Si1、Si3关断时，Si=0；当Si3、Si4导通，Si1、Si2关断时，Si=-1。当Si=1时，SiP=1；当Si=0时，SiO=1；当Si=-1时，SiN=1。通过坐标变换可得两相同步旋转坐标系下三相混合钳位式三电平整流器的数学模型为

(5)

式中，Ls、Rs分别为整流器交流侧电感和等效电阻；ed、eq为旋转坐标系电网电压；id、iq为旋转坐标系的交流侧输入电流。

开关函数为

(6)

4直驱式PMSG系统控制策略

4.1网侧变换器控制策略

本文研究的永磁直驱式风力发电系统网侧变流器工作在单位功率因数逆变状态，既减小了馈入电网无功功率，也降低了系统对变流器容量的需求。对于网侧混合钳位式变流器的控制，这里采用基于电网电压定向的直接电流控制策略，将d轴定向于电网电压矢量方向，则其在q轴上的投影等于零。通过控制q轴电流使其等于零，可以实现网侧变流器在单位功率因数状态下运行，而d轴电流决定了有功功率的大小。其基于电网电压定向的双闭环SVPWM的控制原理结构框图如图7所示，电压反馈控制为外环，电压PI调节器的输出作为d轴电流(有功电流分量)的给定，内环为双电流控制环，主要作用是快速跟踪电压外环输出的有功电流值和给定无功电流值。

图7　网侧变流器的双闭环控制策略Fig.7　The double closed-loop control strategy of grid-side converter

4.2机侧变换器控制策略

(7)

结合跟踪指令电压矢量的SVPWM控制技术产生触发脉冲，控制机侧变流器。机侧变流器的控制系统框图如图8所示。

图8　机侧变流器的控制策略Fig.8　The control strategy of generator-side converter

5仿真与实验

5.1仿真

应用Matlab/Simulink平台搭建仿真模型，按照上述的机侧和网侧变流器控制策略进行仿真。仿真参数：定子绕组等效电阻Rs=0.055 Ω，等效电感Ld=Lq=0.4 mH；电机极对数Np=30；永磁磁通ψf=7.8 Wb；惯性系数J=8 759 kg·m2；摩擦系数F=0，直流母线电压给定值Udc=1 100 V，直流侧电容C1=C2=0.03 F，网侧交流电压峰值Em=563 V，滤波电感L=0.3 mH，采样频率f=2 kHz，系统仿真结果如图9所示。

图9　直驱式永磁风力发电系统仿真波形Fig.9　Simulation results of direct-driven PMSG system

图9a为发电机定子端输出的三相电流波形，由图9a可见通过网侧混合钳位式三电平PWM变流器的控制实现了输出电流的正弦波控制；图9b为发电机定子端输出的线电压波形，由图9a、图9b可以看出发电机输出的电压和电流随转速的变化而变化；图9c为发电机转速跟踪最大功率输出控制模型的输出转速波形；图9d为直流母线电压波形，由图9d可见通过电压外环的控制直流母线电压稳定在给定值附近，风速变化时直流电压也会出现波动，但很快又会恢复稳定；图9e为网侧逆变器输出的电流波形，由图9e可见通过变流器的作用可以实现网侧电流的完全正弦波控制；图9f为发电机电磁转矩波形；图9g为网侧电压波形，从图9g中可以看出通过网侧变流器的作用实现了单位功率因数并网控制。仿真结果证明了本文所采用的控制策略的正确性及混合钳位式变流器用于永磁直驱风力发电系统的可行性。

5.2样机实验

图10　永磁直驱同步风力发电实验系统结构Fig.10　Structure of direct-driven permanent magnet synchronous wind-power generation experiment syste

为进一步测试混合钳位式变流器的性能，本文建立了基于混合钳位变流器的永磁直驱风力发电模拟实验系统，如图10所示。实验参数如下：定子绕组等效电阻Rs=0.055 Ω，等效电感Ld=Lq=0.4 mH；发电机极对数Np=30；永磁磁通ψf=7.8 Wb；惯性系数J=8 759 kg·m2；摩擦系数F=0，直流母线电压给定值Udc=1 100 V，直流侧电容C1=C2=0.03 F，网侧交流电压峰值Em=563 V，滤波电感L=0.3 mH，采样频率f=2 kHz。

实验结果如图11和图12所示。图11为并网输出电压电流波形，图12为风速变化时网侧电压、电流波形，结果表明混合钳位式变流器用于永磁直驱风力发电系统，可以使系统具有良好的稳定性和动态性能。

图11　并网输出电压、电流波形Fig.11　Grid-connected inverter grid voltage and current waveforms

图12　网侧电压、电流波形Fig.12　The output of grid-side voltage and current waveforms

6结论

本文对一种新型混合钳位式双三电平永磁直驱风力发电系统控制策略进行了研究，并通过仿真和实验验证了所提算法的正确性。由于新型混合钳位式变流器能够钳位住桥臂内侧功率开关器件关断过电压，自动均衡中点电位，减少并网电流谐波含量，具有良好的工业应用前景。

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Control Strategy of Permanent Magnet Direct-Driven Wind Generation System Based on Hybrid Clamp Dual PWN Rectifier

Cao Haiyang1，2Shen Jianhui1，3Jiang Zijian1Liu Wen3

(1.School of Information and Electrical EngineeringChina University of Mining and Technology Xuzhou221000China 2.Jiangsu Xuzhou Engineering Experiment CenterXuzhou221000China 3.Huaian Power Supply CorporationHuaian223001China)

AbstractFor the high power dual three-level permanent magnet direct-driven wind generation system,a novel hybrid clamped three-level inverter topology is adopted and its operational principle is analyzed.The impact characteristics of 64 voltage space vectors on the neutral point potential and the clamping capacitor voltage are analyzed respectively in the cases of feed-in and feed-out state to achieve the neutral point potential balance control strategy.On the basis of the clamping capacitor’s charging and discharging circuits,different level state switching methods are used to control the clamping capacitor voltage balance in the case of feed-in and feed-out states.Based on the mathematical model of the permanent magnet synchronous generator(PMSG)and the hybrid clamped converter,the separation control strategies of the converter by the machine side and the grid-side converter are proposed respectively.The simulation model is built based on Matlab/Simulink.The control strategy is verified to be correct and have good static and dynamic properties.

Keywords：Permanent magnet synchronous generator，hybrid clamp，dual PWM rectifier，vector control

收稿日期2014-11-21改稿日期2015-10-29

作者简介E-mail：hycao1018@126.com E-mail：shenjianhui0309@163.com(通信作者)

中图分类号：TM46

曹海洋男，1976年生，博士，硕士生导师，研究方向为电磁兼容和风力发电。

沈建辉男，1990年生，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力拖动。