基于永磁同步电机的电流源型风电变流器实现

张亮亮, 韩刚, 蔡旭,2

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院风力发电研究中心，上海 200240；2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室，上海 200240)



基于永磁同步电机的电流源型风电变流器实现

张亮亮1, 韩刚1, 蔡旭1,2

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院风力发电研究中心，上海 200240；2.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室，上海 200240)

永磁直驱式全功率风电变流器具有结构简单、转换效率高、低成本、可靠性高等优势，是目前风力发电领域的一个重要研究方向。电流源型变换器跟电压源型变换器相比，具有出色的低电压穿越能力、易并联、高可靠性等优点。因此提出了基于永磁同步电机的电流源型风电变流器的实现方法，包括变换器的参数设计、有功和无功的控制策略、有源阻尼的实现。基于提出的控制策略，可以实现一个完整的电流源型PWM变流器。最后给出了提出的控制策略的MATLAB仿真结果。

电流源型变换器；永磁同步电机；风电变换器；有功无功解耦控制；谐振抑制

0 引 言

电流源型变换器与电压源型变换器相比，具有低电压穿越能力、易并联、高可靠性等优点[1]。这些优点使电流源型变换器(简称CSC)非常适合作为风机与电网的接口。国内相关文献中，文献[2]只研究了电流源型整流器(简称CSR)的建模、控制策略等问题。文献[3]只研究了电流源型并网逆变器(简称CSI)的建模、调制、控制等问题。文献[4]虽然研究了电流源型风电变流器，但是机侧变换器采用二极管整流器拓扑。文献[1,5]研究了PWM电流源型风电变流器，但是并没有研究电流源型变换器相关参数的设计，LC滤波器谐振问题。针对LC谐振问题，大部分文献采用无源阻尼和虚拟电阻法[6-7]。本文提出引入电感电压和电流的方法以抑制谐振。

本文提出的采用电流源型PWM变换器作为风力发电机与电网的接口具有结构简单、输出波形好、易于并联、四象限运行等优点。直流侧电抗器又赋予了电流源型变换器可靠的短路保护和低电压穿越能力。电流源型风电系统拓扑如图1所示。包含永磁同步电机、全功率背靠背电流源型变换器、变压器。背靠背电流源型变换器包括机侧变换器、网侧变换器、直流电抗器和滤波器。

两个变流器之间的直流电抗器实现了机侧变流器和网侧变流器之间的解耦，使得两个变流器可以独立地分开控制。一般情况下，机侧变流器控制发电机的转速和无功功率，网侧变流器控制直流电流和网侧无功。由于电流源型变换器采用LC滤波，输出电流中的谐波非常容易引起谐振，因此在常规目标的控制中需加入有源阻尼控制。

为实现机侧和网侧有功和无功的控制目标，本文提出了基于PI调节器的闭环控制算法。为抑制LC谐振，提出了引入滤波电感电压、电流负反馈的控制策略。并在理论上对提出的控制策略进行了详细分析，最后给出了MATLAB仿真结果。

1 基于永磁同步电机的风电系统数学模型

1.1 电流源型变换器数学模型

电流源型风电变流器有整流器和逆变器组成，由于整流器和逆变器的对偶性，本文仅对整流器分析，所得数学模型同样适用于逆变器。图2所示的三相电流型 PWM 整流器(CSR)的主电路结构，交流侧由L、C组成二阶低通滤波器，以滤除交流侧电流中的开关谐波；直流侧接大电感，使直流侧电流近似为平滑的直流。开关器件由可控器件与二极管串联组成，以提高器件的反向阻断能力。现作如下假设：

(1) 电网电动势为三相对称的正弦波电动势；

图1 基于永磁同步电机的电流源型风电变换器拓扑

(2) 交流、直流侧滤波电感L、Ldc均是线性的，且不考饱和；

(3) 开关损耗已折合到三相CSR直流侧，且包含在负载电阻RL之中。

图2 电流源型整流器器主电路拓扑

在以电网电压矢量定向的旋转坐标系下,三相电流型PWM整流器的数学模型[2]29如下所示：

(1)

式中id,iq为ia,ib,ic在dq坐标系下的分量；vd,vq为va,vb,vc在dq坐标系下的分量；σd,σq为三值逻辑开关函数σa,σb,σc在dq坐标系下的分量。

图2所示的三相电流源整流器的拓扑，如果将ea,eb,ec看作发电机内电动势，L当作定子电感，R为电感等效电阻，图2所示拓扑可当作机侧变换器主电路拓扑，此时可根据式(1)得出机侧变换器的数学模型。

1.2 永磁同步电机数学模型

由于永磁同步电机是一个高阶、多变量以及强耦合非线性系统，为方便对其建立数学模型，作以下假设：

(1) 忽略铁芯饱和；

(2) 忽略磁滞和涡流损耗；

(3) 转子上无阻尼绕组；

(4) 永磁体材料电导率为零；

(5) 相绕组中感应电动势为正弦波。

以转子永磁体磁极轴线为d轴，超前d轴90度为q轴，建立同步旋转坐标系。永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型如式(2)和式(3)所示：

Te=1.5p[ψfiqg+(Lsd-Lsq)idgiqg]

(3)

式中usd,usq为三相定子电压dq分量，Ld,Lq为定子电感dq分量，idg,iqg为定子电流dq分量，ψf为永磁体磁链，p为电机极对数，Te为电机电磁转矩。

2 机侧和网侧控制策略

2.1 机侧控制策略

图3 机侧变换器控制框图

假设永磁同步电机交轴电抗和直轴电抗相等，即Ld=Lq=Ls，文献[5]给出了电容电流的表达式：

(4)

2.2 网侧控制策略

网侧变换器主要有两个控制目标：一是直流电流控制(有功控制)；二是并网无功功率控制[8-9]。为实现上述目标，基于电网电压矢量定向的网侧控制策略如图4所示。网侧控制器由两个独立的有功和无功控制环组成，直流电流环控制流向电网的有功能量。与电压源型变换器通过固定直流电压，控制调制比来调节有功能量不同，电流源型变换器通过固定调制比，调节直流电流来调节输出的有功功率。直流电流的参考值不固定，根据电机输出功率波动而变化。文献[5]给出了直流电流参考值与电机输出功率的关系。而无功功率的参考值通常与电网的运行状态有关，通常情况下，令Q*=0。

图4 网侧变换器控制框图

3 有源阻尼控制

由于LC滤波器的存在，变换器侧电流谐波或者电网电压畸变均可使电流源型变换器发生谐振。谐振抑制通常有两种方法：有源阻尼和无源阻尼。无源阻尼由于会引起额外的功率损耗，通常不会采用。以电流源型整流器(CSR)为例，本文将介绍一种通过引入电感电流和电压负反馈来抑制谐振的方法，如图5所示。

图5 电感电流和电压负反馈原理图

为分析该方法作用原理，需先分析LC谐振源。CSR交流侧单相等效电路如图6所示。从图中可知，电网电压谐波和变换器侧电流谐波均能引起LC谐振。表述为传递函数形式如下：

Is(s)=Gii(s)Iw(s)+Giv(s)vs(s)

(5)

其中

忽略电感内阻，引入电感电压和电流负反馈之后，可根据图5写出此时传递函数Gii(s)和Giv(s的表达式如下：

(6)

图6 CSR交流侧等效电路

(7)

(8)

其中ωs—线电流中主谐波电流频率；σs—ωs处期望的幅频增益；ξopt—最优阻尼比。

图7 谐振频率和阻尼比与反馈增益曲线

4 仿真结果分析

为验证上文提出的控制策略，本文进行了10 kW背靠背电流源型变换器MATLAB仿真。系统参数如表1所示。

机侧和网侧仿真的控制策略如图8～10所示。MATLAB仿真中，永磁同步电机由Simulink模块提供的风机模型驱动。给定风速，风机模型能提供最优电机参考转速。为了展示系统的暂态过程，在t=1.5 s时风速从12 m/s降至10 m/s，t=3 s时风速从10 m/s升至12 m/s。转速ωg暂态过程仿真结果如图8所示，网侧输出有功功率如图9所示，t=1.5 s风速下降时，为使电机减速，此时PI调节器会提升电磁转矩，而电磁转矩最大值取决于直流电流的值，故在t=1.5 s时，网侧输出有功功率和直流电流的值会有一个短暂的尖峰。同理，t=3 s风速上升时，为使电机增速，此时PI调节器会降低电磁转矩，为防止电磁转矩小于零，从而从电网吸收能量，设置电磁转矩最小参考值为0。故在t=3 s时，网侧输出有功功率和直流电流的值会有一个短暂的跌落。网侧输出无功功率如图10所示，在稳态和暂态时，输出的无功功率均为0。

表1

图8 电机转速曲线

图9 网侧输出有功功率

图10 网侧输出无功功率

直流电流Idc仿真结果如图11所示。为使系统损耗最低，电流源型变换器一般固定调制比，改变直流电流。如图11所示，由于电机输出有功功率的变化，直流电流从50 A降至30 A，后又升至50 A。图12展示了在额定情况和网侧单位功率因数运行下的单相电流和电压的波形。

图11 直流电流

图12 稳态下，额定运行时网侧相电流与相电压

为验证上文提到有源阻尼控制策略，抑制前的网侧三相电流如图13所示，从图中明显看出三相输出电流发生了畸变，此时THD为7%。加上有源阻尼控制算法后的三相电流波形如图14所示，此时THD为2.09%，符合并网标准。

图13 未加有源阻尼算法时的三相输出电流波形

图14 加有源阻尼算法后的三相输出电流波形

5 结束语

目前电流源型变换器的研究很多集中在三相CSR整流器上，研究背靠背电流源型风电变流器的文献比较少，本文比较全面的介绍了背靠背电流源型风电变流器。首先建立并分析了机侧和网侧的数学模型；其次根据网侧和机侧的控制目标，结合数学模型提出了机侧和网侧控制算法；针对LC谐振问题，提出引入电感电压和电流的有源阻尼策略；最后介绍了系统参数设计方法并以10 kW的MATLAB仿真验证了上文提出的各种控制策略。

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Implementation of a Current Source Wind Power Converter Based on the Permanent Magnet Synchronous Motor

Zhang Liangliang1, Han Gang1, Cai Xu1,2

(1. Wind Power Research Center, School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, School of Naval Architecture and Ocean and Constructional Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Permanent magnet direct-drive full power wind power converter with such advantages as simple structure, high conversion efficiency, low cost and high reliability make itself an important research direction in the field of wind power. In comparison with voltage source converter (VSC), current source converter (CSC) has outstanding low-voltage ride-through ability, easy parallel connection and high reliability. Therefore, this article presents a specific approach to implement current source wind power converter based on the permanent magnet synchronous motor, including converter parameter design, active-reactive control strategy and realization of active damping. Finally, Matlab simulation result is given for the proposed control strategy.

current source converter (CSC); permanent magnet synchronous motor;wind power converter; active-reactive power decouple control;resonance suppression

上海市科委项目(11dz1200204);Fuji Electric Co., Ltd., Research Project

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.002

TM461/464

A

1000-3886(2016)03-0003-04

张亮亮(1991-)，男，河南人，硕士生，研究方向为风电变流器。

定稿日期: 2015-12-14