新型直驱交流励磁风力发电系统的并网控制策略

康尔良 黄善武 苏显贺

摘要：介绍了一种新型直驱交流励磁风力发电系统，在推导出新型直驱交流励磁发电机的数学模型基础上，提出一种基于矢量控制的空载并网控制策略。机侧变换器和网侧变换器是双PWPM变换器，机侧变换器采用定子电压定向矢量控制，网侧变换器采用电网电压定向矢量控制，两者协调控制，实现直流母线电压稳定，有功功率和无功功率的解耦，功率因数可调。励磁变换器采用定子磁链定向的矢量控制，通过控制励磁电流来控制定子空载电压，保证机侧PWM整流器的可靠运行。在此基础上，对控制策略进行仿真分析。仿真结果表明，在风速大范围变化时，该新型系统有良好的动、静态性能，能够实现并网操作，验证了该控制策略的可行性和有效性。

关键词：新型风力发电系统;直驱交流励磁;空载并网;PWM变换器;矢量控制

DOI：10.15938/j.jhust.2020.02.014

中图分类号：TM315文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2020）02-0105-06

0 引言

风能是一种“绿色”的可再生能源，而且我国可利用的风能资源丰富。不论是从优化能源结构，还是从节能减排的环保角度，我国都应大力发展风电。目前，变速恒频风力发电技术中双馈风力发电系统和直驱式永磁同步发电系统凭借其一系列优点和较成熟的技术成为现今使用最多的两个机型，但也存在一些缺点。

双馈风力发电系统中，需要使系统可靠性变差的齿轮箱，维护成本高。发电机定子直接与电网连接，这种结构属于强耦合结构，低压穿越实现比较困难;直驱永磁同步发电系统中，省去齿轮箱，效率变高，但是转子侧电流频率、幅值不可控，能够发电的转速运行范围变窄。全功率变换器对电网故障控制能力变强，但是大功率变换器成本高。而且永磁同步电机体积大，永磁材料存在退磁、价格昂贵等问题。为解决双馈风力发电系统定、转子与电网强耦合、可靠性差的问题，永磁直驱风力发电系统励磁不可控、运行范围窄的问题，介绍一种新型直驱式交流励磁风力发电系统。由风力机、直驱交流励磁发电机、整流单元（机侧变换器）、逆变单元（网侧变换器）、交流励磁电源（交流励磁变换器）、直流母线组成，其中整理单元、逆变单元、励磁电源与直流母线组成共直流母线结构。该系统与双馈风力发电系统相比，在结构上少了齿轮箱，定子侧通过变换器与电网连接，解决了双馈风力发电系统因强耦合结构难以实现的电网低压穿越问题，与直驱永磁风力发电系统相比，交流励磁电源为转子绕组励磁，励磁电压和频率可控，增加了可发电条件下机组转速运行范围，同时解决了永磁风力机组体积大，使用稀土材料的问题。

并网是风力发电的基本问题，发电机并网是风力发电系统正常运行的起点，要求发电机定子电压通过变换器连接电网，实现风力发电系统安全并网，进人正常发电运行状态，投入使用。因此，需研究合适的并网方法实现安全并网。

本文主要介绍了新型直驱交流励磁风力发电系统，在直驱交流励磁发电机数学模型的基础上，针对该系统的特点，提出一种应用于此系统的并网控制策略，并应用Madab软件中的Simulink模块，对控制策略进行仿真研究。仿真结果表明，该控制策略能够实现安全并网。

1 新型发电系统结构和原理

风力机与发电机同轴联接，向发电机输入机械功率。直驱交流励磁发电机与绕线式异步电机类似，转子侧有三相励磁绕组，但是由于风力机与发电机直接相连，风机转速较低时为了保证电机性能，设计发电机的极对数大于等于8，其转动惯量比绕线式异步电机的转动惯量大;同时将发电机定子侧绕组同相并联转换为绕组串联的方式以增加定子绕组匝数，使发电机定子電压升高。整流单元将发电机发出的电能整流存储在直流母线的电容中，逆变单元的作用是将储存于直流母线电容上的电能逆变成功率因数可控的工频交流电输入电网，交流励磁电源为发电机转子绕组提供励磁，频率和电压均可独立调节。励磁磁场的转向可以与转子转速方向相同或相反，增加了发电系统的运行转速范围。直流母线由一组电容并联接于铜排组成，用于电能储存，是电能传输的缓冲池，使系统中发电机在电气上与电网解耦，只要风力机提供的机械能大于整个系统的损耗，那么系统就能够向电网发电。

当系统启动时，直流母线电压为零，网侧变换器工作在整流状态由电网向直流母线充电，直流母线电压只需使转子励磁工作，建立发电机气隙磁场，机组转速大于零，发电机发出三相交流电且通过机侧变换器整流同时向直流母线充电至额定电压，此时风力发电系统具备了发电的条件。

当系统正常运行时，直驱式交流励磁风力发电机的基本结构与绕线式异步电机相似，定、转子上都有三相对称绕组。转子励磁绕组由一个频率、幅值、相序都可以调节的三相交流电源供电，定子绕组发出电能并通过变换器并人电网。发电机定子旋转磁场和转子励磁旋转磁场满足如下关系

ω₁=ω₂±_r（1）

公式中：ω₁为定子旋转磁场的电角速度;ω₁为转子本身旋转的电角速度;ω₂为转子励磁旋转磁场的电角速度。

上式说明：直驱式交流励磁发电机的原理是依据风场的风速确定励磁磁场转速，励磁磁场的转速与发电机机械转速相加或相减以保证风力发电系统运行于最佳工作点。

2 新型系统发电机数学模型

建立数学模型之前，规定定、转子绕组均采用电动机惯例，即电压降的正方向与电流的正方向一致，电流i与磁链ψ符合右手螺旋法则。下文控制策略研究主要是分析d-q坐标系发电机模型，因此建立发电机在d-q坐标系的数学模型，磁链方程为式中：L_m为d-q坐标系同轴等效定子绕组与转子绕组间的互感;L_s为d-q坐标系中定子等效两相绕组的自感;L_r为d-q坐标系中转子等效两相绕组的自感，电压方程为

式中：u_sd、u_sq、u_rd、u_rq分别为定、转子电压的d、q轴分量，p为微分算子。

转矩方程

式中：T_L为风力机提供的驱动转矩;J为风力机组的转动惯量。

3 新型系统并网控制策略研究

本文采用空载并网控制，空载并网结构框图如图2所示。并网前发电机处于空载状态，定子电流为0，检测电网电压的频率、相位、幅值。机侧变换器和网侧变换器采用双PWM变换器，网侧逆变器实现并网功能，谐波会引起设备的附加损耗，降低效率，加速绝缘老化，很大缩短设备寿命，还可能产生局部的串联或并联谐振，放大谐波水平，为了减少对电网的谐波污染，输入电网的电流波形正弦，同时控制功率输出，使输入功率因数可调，机侧可控整流变换器将发电机输出电能转换为直流电能储存于直流母线，同时两个变换器协调控制直流母线电压稳定。机侧可控整流变换器将发电机输出电能转换为直流电能储存于直流母线，同时两个变换器协调控制直流母线电压稳定。机侧PWM整流器可以等效为Boost变换器，若要其能正常工作，直流侧的电压必须高于发电机定子线电压的峰值。因此，励磁变换器控制发电机定子空载电压的大小，保证机侧PWM整流器可靠运行。

3.1 网侧、机侧变换器控制策略

机侧变换器与网侧变换器采用双PWM变换器，两者既可以工作在整流状态也可以工作在逆变状态，功率可以双向流动，功率因数可调，同时协调控制保证直流电压稳定。网侧变换器采用电网电压定向的矢量控制策略，将电网电压矢量定向在d轴，则U_gd=U_g，U_gq=0.在d-q坐标系中，网侧变换器输出的有功功率P_g和无功功率Q_g为

机侧变换器采用定子电压定向控制策略，将发电机定子电压矢量定向在d轴，同样采用电压外环、电流内环双闭环控制结构，保证直流电压的稳定。机侧变换器控制框图与网侧变换器类似，不过要检测发电机定子电压、电流，这里就不再赘述。由于直流母线的缓冲作用，机侧和网侧变换器双重保证直流母线电压的稳定，使系统动态性能好，稳定性高。

3.2 励磁变换器控制策略

发电机空载运行时，定子电流d、g轴分量为0，其数学模型将简化。为了达到更好的控制效果，励磁变换器采用定子磁链定向的矢量控制。定子磁链定向在d轴上，ψ_sd=ψ_s，ψ_sq=0，式中ψ_s为定子磁链矢量幅值。

电机电压方程将简化为

从定子电压可以看出，电机空载运行达到稳态时，u_sd=0，u_sq=U_s，定子电压定向在g轴上，与定子磁链垂直。从式（8）可以看出，转子电压、电流d、q轴分量还未完全解耦，存在电流交叉耦合项。

根据以上讨论，新型系统励磁变换器定子磁链定向控制策略的框图如图4所示。该控制策略包括电压外环和励磁电流内环，电压环用于跟踪定子电压，电流环用于调节励磁电流来控制定子电压达到一定数值，通过机侧整流器、并网逆变器，达到并网目的。

4 仿真研究

4.1 仿真模型

为了验证提出的新型系统并网控制策略的正确性，应用Matlab中Simulink模块进行仿真分析。新型电机与风机直接相连，在风速较低的情况下，风机转速较低，为了使电机能够达到良好的运行状态，极对数取为15.同时，为了更好的分析电机空载状态，自己搭建电机空载模型。风力机和发电机的仿真参数如表1、表2所示。

其他仿真参数：网侧进线电感L=6mH，直流母线电容C=5000uF，直流母线电压U_dc=1200V，变换器开关频率f=5000Hz。

4.2 仿真结果分析

风电系统启动运行一段时间后，风速达到风力机额定风速13m/s时，开始并网，0.3s风速突变升速为15m/s，0.6S风速突变下降为11m/s，0.8s风速又恢复到13m/s并保持不变。系统的仿真结果如图5-7.

从图6、图7、图8可以看出，应用所提出的并网控制策略，通过对机侧、网侧、励磁变换器的控制，新型系统在并网时只是在最开始出现波动，随后快速稳定，实现了新型系统的柔性并网。并网后，在风速变化时，系统可以安全稳定可靠运行。

从图6可以看出，新型系统在风速变化时，发电机转速快速跟随变化，励磁变换器控制转子电流相应改变，转子电压也发生变化，保证定子电压基本不变，能够确保机侧可控整流器的运行，验证了励磁变换器的控制策略正确性。

图8为机侧、网侧变换器A相电压与电流关系曲线，可以看出，两个变换器都运行在单位功率因数状态，机侧变换器电压与电流相位同相，处于整流状态;网侧变换器电压与电流相位反相，处于逆变状态。变换器电流波形接近正弦，谐波含量少，两者协调控制直流母线电压稳定，完成并网操作。图6可以看出直流母线电压维持在1200V，保持不变，验证了机侧、网侧变换器控制策略的正确性。

仿真结果表明，风速随机大范围变化，新型系统调节励磁变换器，保证定子空载电压能够使机侧PWM整流器可靠运行，机侧和网侧变换器协调控制，保证直流母线电电压稳定和系统单位功率因数运行，实现空载并网操作，验证控制策略可行性和有效性。

5 结论

本文给出了一种新型直驱交流励磁风力发电机数学模型，提出了一种基于矢量控制的空载并网控制策略，详细介绍了机侧变换器、网侧变换器和励磁变换器的控制原理和方法，并在Matlab/Simulink軟件中对控制策略进行仿真分析。仿真结果表明，风速大范围变化时，该控制策略并网输出波形质量好，能够实现逆变并网，验证了该控制策略的正确性。