直驱永磁风力发电系统机侧谐波的抑制

张志刚 ，苏耀国，樊鹏 黄守道 张文娟

(1. 湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙，410082；2. 长沙学院 电子信息与电气工程学院，湖南 长沙，410003;3. 国网陕西省电力公司，陕西 西安，710048)

直驱永磁同步风力发电机组(directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator，D-PMSG)具有结构简单、维护成本低、转换效率高等优点，在风力发电市场得到较快发展。随着以PMSG为主体的大容量变速恒频风力发电系统在市场中所占份额越来越大，提高PMSG的发电效率、抑制定子电流谐波和延长机组工作寿命显得尤为重要。D-PMSG常采用传统两电平双PWM变流器全功率并网，兆瓦级PWM两电平变流器减小了开关损耗，提高了系统工作效率，但机侧变流器开关频率较低，输出与输入电流谐波成分较高。同时，由于永磁同步电动机反电动势波形含有较多谐波，大量谐波会增大永磁发电机的铜耗与铁耗，减小发电机组效率，引起转矩脉动，对电机运行及寿命有很大影响。刘春喜等[1−5]通过改进机侧滤波器来消除谐波，取得了一定效果，但增加了系统成本。郭新华等[6−9]研究了基于空间矢量调制的电流谐波控制器来实现定子电流波形的优化，效果较佳，但控制方法较复杂。王贺超等[10−12]利用谐振控制对交流信号稳态无差控制，提出将比例积分谐振控制器应用于D-PMSG机侧变流器对指定次谐波电流进行控制的谐波电流控制策略，以消除定子电流中幅值较高的谐波。这些方法均从控制方法出发提高系统性能，并未从根源上对谐波产生进行改善。二极管中点钳位(neutral point clamped multilevel converter, NPC)型三电平变流器近几年在中高压驱动系统、风力发电等领域得到广泛应用。相对于传统的两电平变流器而言，它具有如下3个突出优点：1)每个桥臂上开关器件的电压应力为直流侧输入电压的一半，无需动态均压电路就可以将低耐压的器件应用于高压大功率场合[13−14]；2)在相同开关频率下，三电平变流器线电压的谐波成分比两电平变流器成分要小得多[15−18]；3)由于电压应力的成倍降低，有效地减小了开关损耗[19−20]。为此，本文作者针对传统D-PMSG两电平PWM变流器风力发电系统谐波成分高的缺点，对新型拓扑三电平NPC变流器进行研究，可从谐波产生根源上对其有效抑制，且降低了机侧滤波器的设计难度。本文采用双重傅里叶级数的方法分析三电平变流器的谐波特性。为了验证所提出的谐波抑制方案的可行性和正确性，建立基于新型背靠背双NPC三电平变流器的D-PMSG风力发电系统仿真模型，并给出仿真实验结果与两电平变流器所得结果进行比较，以验证三电平变流器良好的谐波抑制效果。

1 D-PMSG传统变流器拓扑

直驱型永磁同步风力发电系统常常采用背靠背两电平双PWM变流器电路拓扑，如图1所示。发电机机侧控制常采用转子磁场定向 SVM 矢量控制策略，控制框图如图2所示。

图1 直驱永磁风力发电传统两电平变流器拓扑结构Fig. 1 Topology of traditional two-level converter for direct wind power generation of drive permanent magnet

图2 机侧两电平SVM变流器控制方法Fig. 2 Control method for two-level SVM converter of machine side of direct drive permanent magnet

以A相为例，SVM调制算法下对A相电压进行傅里叶分解得

其中：为调制系数；ua为A相电压；为Vdc为直流端电压。

2 D-PMSG-NPC三电平拓扑

D-PMSG风力发电系统的主电路拓扑结构如图3所示，由2个背靠背(back-back)的NPC型三电平电压源变流器组成，2个变流器通过直流电容连接。

2.1 工作原理

从电路拓扑可以看出中点钳位三电平变流器每一相桥臂由4个IGBT开关管、2个钳位二极管组成。三相桥两电平变流器每个桥臂只有2个开关器件，每个桥臂只有2种状态：如对于A相桥臂，当上管导通、下管截止时称为1态，这时A桥臂的开关函数为Sa=1；当下管导通、上管截止时称为零态，Sa=0。图3中三电平变流器每桥臂有4个开关器件，每个桥臂可以安排3种开关状态，若用Sa，Sb和Sc分别表示A，B和C各桥臂的开关函数，则Sa，Sb和Sc应是三态开关函数。以A相桥臂为例，其开关状态如表1所示，其中Qa1和Qa2分别为A相上桥臂2个开关管的门极信号。每个桥臂可以输出−Vdc/2，0和Vdc/2这3种电平。

图3 直驱永磁风力发电系统NPC三电平变流器拓扑结构Fig. 3 Topology of NPC three-level converter for wind power generation system of direct drive permanent magnet

表1 三电平变流器开关状态Table 1 Three-level converter switching status

NPC型三电平变流器电压基向量可以分为4类：大向量、中向量、小向量和零向量。平面被大向量和和零向量分为 6个主三角区域Ⅰ~Ⅶ，每个主区域代表基频的1/6。每个主区域又分为4个小区域，最终该平面被分割为24个区。三电平空间矢量图可以看作由6个传统两电平空间矢量组成，在αβ平面上，图4所示为三电平空间矢量图，有V0~V18共19个基向量。

图4 NPC三电平变流器空间矢量图Fig. 4 Space vector diagram of NPC three-level converter

2.2 SVM调制方法

SVM调制应用到三电平变流器时，1个采样周期内主要有3步来获取合适的开关状态：1)选择合适的基向量；2)计算基向量的作用时间；3)选择合适的开关顺序。根据NPC变流器空间矢量图，每个主区分为4个子区域，假设合成电压向量落在小区域4中，如图5所示。为减少输出电压的谐波，在每个PWM周期内，参考电压由最接近的3个电压基向量用来合成输出电压空间向量，则选择基向量V2，V7和V14，其作用时间分别用d1，d2和d3表示。

图5 NPC三电平变流器空间矢量合成Fig. 5 Space vector synthesis of NPC three-level converter

根据伏秒平衡得

其中：Vref为合成向量。

将电压向量值代入式(2)得

由等式两边实部和虚部相等，化简得

由图5可知，Vref的投影Vx和Vy可表示为

其中：φ为合成向量与横轴的夹角。

令可推导求解得

当电压合成向量在区域1，2和3时，每个基向量的作用时间的计算方法与区域4的类似，d2和d3计算结果如表2所示。

表2 作用时间计算结果Table 2 Calculation results of action time

判断合成电压矢量位于哪个子区域，可以用将dL1和dL2代入如下判据中进行判断。

主区域Ⅰ−子区域1：dL1+dL2≤0.5；

主区域Ⅰ−子区域2：dL1＞0.5；

主区域Ⅰ−子区域4：dL2＞0.5；

主区域Ⅰ−子区域4：其他。

无论电压合成矢量Vref位于何区域，均可以由上述法则进行判定。

3 机侧谐波性能分析

在直驱永磁风力发电系统中，发电机与PWM变流器直接相连，变流器的输出电压电流的谐波即为发电机定子谐波。变流器的输出谐波直接影响发电机的谐波损耗，因此，对NPC三电平拓扑进行谐波分析是有必要的。图6所示为发电机侧变流器的开关等效模型。三相NPC三电平输出电压波形见图7。

图6 发电机侧三电平变流器等效模型Fig. 6 Equivalent model of three-level converter on generator side

图7 发电机侧三电平变流器输出电压波形Fig. 7 Generator side three-level converter output voltage waveform

以A相为例，在SVM调制算法下，对NPC三电平变流器相电压进行傅里叶分解可得

其中：a0=an=0；

bn为各次谐波电压幅值；N为1/4周期内开关角数量；满足

从式(11)可以看出谐波含量与每次开关动作有关，合理安排开关状态是保证系统稳定运行的关键。同时，直流电容的充放电状态由三电平变流器的开关状态决定， C1和C2的充放电将导致直流母线中点电位发生波动。较大的电压不平衡将会损坏开关器件，引入输出电压谐波。

从NPC型三电平变流器空间矢量图看，大向量对应的开关状态使发电机输出和直流母线的正、负相连，不影响中点电压；零向量对应开关状态使发电机输出短接，与正、负或零母线相联，也不会影响中点电压。而中向量和小向量对应的开关状态意味着至少有一相输出和中性点相连，并与正、负母线形成电流回路，从而导致电容C1和C2充放电，导致直流母线中点电压发生波动。因此，机侧变流器在控制永磁发电机转速的同时，控制直流母线的中性点电压至关重要。

在 SVM 调制方式下，中性点电压的控制可以通过调节每个小向量中1对正负冗余向量的作用时间实现。设在1个开关周期内，1对冗余向量的总作用时间占空比为dr，正负冗余向量的比重系数为K，则作用占空比为：

其中：dp和dn分别表示正、负冗余向量作用占空比，且−1＜K＜1。因此，三电平 NPC变流器拓扑直驱风力发电系统的中性点电压可以通过控制系数K实现。直驱风力发电系统机侧三电平 NPC变流器控制框图如图8所示。

图8 发电机侧三电平变流器控制框图Fig. 8 Control block diagram of generator level three-level converter

4 仿真研究

运用 Matlab/Simulink工具箱，分析三电平 NPC拓扑应用在直驱风力发电系统中的特性，并与两电平变流器的谐波特性进行对比分析。模型的额定功率为1 MW，直流母线电压1.2 kV。永磁发电机主要参数如下：额定转速为30 r/min，定子额定电压为690 V，额定电流为700 A。

仿真模型中，D-PMSG机侧变流器采用转子磁场定向id=0控制策略，永磁发电机设为转矩给定模式，额定转矩给定为−100 kN.m，对发电机的转速进行控制。当转速为30 r/min时，采用三电平变流器拓扑结构的发电机定子电压、电流仿真波形以及电流谐波分析结果见图9~11。在相同工作条件下，采用两电平变流器控制下的发电机定子电压、电流仿真波形及电流谐波分析结果见图12~14。对比图9和图12可见：三电平变流器发电机线电压、定子电流信号正弦性好，两电平变流器的总谐波失真为 6.21%，三电平的总谐波失真为 2.23%，三电平的谐波幅值相对于两电平均有所降低。

图9 三电平变流器拓扑发电机线电压Fig. 9 Generator line voltage of three-level converter topology

图10 三电平变流器拓扑发电机定子电流Fig. 10 Generator stator current of three-level converter topology

图11 三电平变流器拓扑发电机定子电流谐波分析Fig. 11 Harmonic analysis of generator stator current in three-level converter topology

图12 两电平变流器拓扑发电机线电压Fig. 12 Generator line voltage of two-level converter topology

图13 两电平变流器拓扑发电机定子电流Fig. 13 Generator stator current of two-level converter topology

图14 两电平变流器拓扑发电机定子电流谐波分析Fig. 14 Harmonic analysis of generator stator current in two-level converter topology

5 实验验证

为了验证三电平拓扑具有抑制发电机电流谐波功能，在实验室搭建NPC三电平变流器原型样机。实验平台采用直流机拖动永磁发电机发电，永磁发电机所产生的电能经 2台 NPC三电平变流器背靠背并入电网。使用QualityStar功率分析仪采集实验结果。实验系统主要参数如下：发电机额定功率为7.5 kW，额定转速为1 500 r/min，定子额定电压为380 V，额定电流为17.5 A，直流母线电压为650 V。

当永磁发电机转速为1 500 r/min时，在满载和半载状态下，NPC三电平与两电平变流器控制下的发电机A相定子电流对比实验结果分别见图15和图16，实验对比分析结果见表3。

图15 不同变流器拓扑控制下发电机半载定子电流波形Fig. 15 Generator stator current waveform in half load under control of different topology converters

图16 不同变流器拓扑控制下发电机满载定子电流波形Fig. 16 Generator stator current waveform in full load under control of different topology converters

表3 两电平与三电平变流器谐波对比分析Table 3 Comparison of harmonic analysis results of two-level and three-level converter

与两电平变流器相比，采用NPC三电平变流器控制直驱永磁风力发电机时，由于电压谐波成分降低，定子电流中谐波幅值明显减小。通过测量发现，当发电机工作于满载状态和半载状态时，与两电平变流器相比，三电平变流器控制下的发电机定子电流谐波成分降低了近一半，具有较好的谐波抑制作用。因此，采用三电平 NPC变流器，虽然谐波没有完全根本消除，但仍有较好的谐波抑制效果，控制效果明显，相对于两电平变流器而言，定子电流信号正弦性好。

6 结论

1)本文研究的D-PMSG背靠背NPC变流器风力发电系统对不同转速下永磁同步发电机定子电流谐波抑制具有一定效果，可减小永磁发电机的铜耗与铁耗，提高发电机组效率。

2)采用三电平NPC变流器时，虽然谐波没有根本消除，但控制效果明显，相对于二电平变流器而言，永磁直驱风力发电机线电压、定子电流正弦性好。

3)根据风力发电系统的能量流动特性，要保证母线电容均压，需要检测上下电容电压并合理的选择不同的开关状态，否则会引入更多谐波。

4)本文在小功率实验平台上的实验结果对大功率直驱型永磁同步发电系统的谐波抑制具有一定的指导意义。

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