永磁風力發電機分布式直流并網動態電壓解耦補償控制

唐任遠， 張洪陽， 張志鋒， 朱建光

(沈陽工業大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心，遼寧沈陽 110870)

永磁風力發電機分布式直流并網動態電壓解耦補償控制

唐任遠， 張洪陽， 張志鋒， 朱建光

(沈陽工業大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心，遼寧沈陽 110870)

針對永磁(同步)風力發電機分布式直流并網的要求，提出并研究了一種基于機側電壓動態解耦補償的且具有寬運行范圍的分布式直流并網控制策略。分析了永磁風力發電機勵磁分量控制原則，進而為電機的高性能運行提供依據。基于同步旋轉坐標系把寬范圍運行下系統所有的交叉耦合項和電壓波動等原因造成的系統擾動統一定義為一個新的變量擾動，然后對控制系統進行補償。采用輔助支撐電容的直流斬波電路進一步實現不同直流電壓等級的匹配，最終實現永磁風力發電機的變速恒壓控制。通過仿真和實驗驗證了控制策略的可行性和有效性。

永磁風力發電機;分布式直流并網;電壓動態解耦;高性能運行;變速恒壓

0 引言

由于全球范圍內煤炭、石油等石化能源日漸減少，特別是以煤炭為主要能源的電力行業帶來的環境污染等問題，世界各國都將目光轉移到了可再生能源的研發上。風能作為一種可再生、清潔能源越來越受到人們的重視，隨著風力發電技術的不斷成熟，加之其環保效益，風力發電已經成為最具有商業化發展前景的新興產業之一［1－2］。分布式并網以分散的方式布置在負荷所在的配電網絡中，與大電網互為支撐，對于環境保護和增加能源供應有著不可忽視的作用［3－4］。永磁風力發電機由于省去了低效率、低可靠性的齒輪箱，控制方式靈活，易于實現并網等優勢，已成為當前風力發電系統的重要發展方向之一［5－7］。隨著工業直流負荷的不斷增加，研究永磁風力發電機的分布式直流并網有重要意義。對于相關的研究，文獻［8］采用二階滑模控制器，實現了永磁風力發電機的非線性控制。不過控制器應用較為復雜。針對傳統的PWM整流器，文獻［9－10］分別就功率因數控制和直接功率控制等問題進行了研究。將直流斬波電路應用到風力發電中，可以進一步增加系統的工作范圍，文獻［11］對交錯并聯斬波器的控制和設計中的關鍵問題進行了較為深入的分析。此外，文獻［12］研究了直驅風電機組的功率優化控制問題。然而針對如何提高永磁風力發電機分布式直流并網的穩定性等具體問題的相關的研究較少。

本文從永磁風力發電機在分布式直流并網的應用出發，考慮寬運行范圍下對電機和變流器的要求，對基于機側電壓動態解耦補償控制的分布式直流并網變流器進行了研究。首先給出了永磁風力發電機勵磁分量計算和控制的原則，從而對永磁風力發電機的高功率因數、高效控制等高性能控制提供了一定的依據。其次，重點分析了消除系統擾動、提高系統工作可靠性的機側電壓動態補償控制方法。為了進一步滿足對工業負荷和直流并網電壓等級的需要，最后給出采用輔助支撐電容結構的直流斬波電路設計方案。通過仿真和實驗驗證控制策略的可行性。

1 永磁風力發電機勵磁控制原則

永磁風力發電機的性能主要取決于對電流矢量的有效控制，因此首先分析了永磁風力發電機的數學模型，然后給出了勵磁分量的計算和控制原則。假設:不計渦流和磁滯損耗;忽略鐵心飽和;轉子上無阻尼繞組;空間磁動勢及磁通正弦分布［7－8］。將永磁風力發電機轉子磁鏈定向在d軸上，q軸超前d軸90°，則永磁風力發電機在d-q旋轉坐標系下的數學模型為

式中:usd、usq為 d、q 軸電壓分量;isd、isq為 d、q 軸電流分量;Ld、Lq為d、q軸電感分量;ψf為永磁體勵磁磁鏈;ωr為電角速度;Rs為定子電阻;pn為極對數;Tem是電磁轉矩。

基于上述模型可以得到基于永磁風力發電機本體的勵磁調節限制條件，且作為勵磁分量計算和實現的基礎。結合式(1)，并以電機電流is和電壓us極限條件為約束，有

式中:islimit為考慮負載時發電機和變流器極限電流中的最小值;usmax為考慮發電機和變流器允許并網極限電壓中的最小值。由式(1)可知，忽略定子電流的動態變化和定子電阻的影響，電機的穩態電壓方程為

根據式(2)和式(3)，可得

從電機的氣隙合成電動勢來看，假設isd增加Δisd，則對應磁鏈增加Δψ=ΔisdLd，對應的氣隙合成電動勢增加ΔE為

式中:f為運行頻率;N為電樞繞組每相串聯匝數;Kdp為繞組因數;Δ為每極氣隙合成磁通;K為氣隙磁通波形系數。

永磁風力發電機在設計時，磁路較為飽和，就單靠自身增加勵磁分量來升壓的能力有限，相對來說在高轉速下的弱磁更容易實現。為保證在勵磁調節過程中母線電壓的穩定性和有效利用，變流器PWM調制采用電壓利用率高的SVPWM調制方案，則最大定子電壓等效成

式中udc1為機側PWM變流器直流母線電壓。

考慮實際工作過程中功率的平滑性，則出于母線電壓限制的勵磁分量可控范圍為

式中Δis=在勵磁分量計算給定過程中，轉矩分量 Δisq變化很小，因此 Δis≈Δisd。對于的補償值也可以通過已知的極限電壓u和實際smax電壓us求差后經電壓調節器給出。

2 動態電壓解耦補償控制策略

為了實現在寬風速運行范圍下永磁風力發電機輸出功率的平滑性，就要盡量減小電機在風速突變和其他系統擾動情況下的抗干擾性、提高系統的可靠性。永磁風力發電機的控制直接反映在機側變流器輸入端電壓和電流的變化上，所以可以在機側PWM變流器d-q坐標系下，把所有的交叉耦合項和直流斬波電路電壓波動等原因造成的系統擾動統一定義為新的變量擾動Δud和Δuq，然后對控制系統進行補償。設機側變流器在連續的兩個調制周期內控制內環電流擾動為Δid和Δiq，在前一個調制周期ts內電流必須滿足當前周期內的給定，才可以控制變流器調制產生控制電壓的參考值，從而準確地跟蹤電壓。其對應關系為

式(10)化簡為，當開關頻率較高時，忽略 R，則 Δi=。因為電壓矢量已

gs知，所以計算前后兩個周期差值就可以得出Δus。然后根據檢測到的角位置θr，結合式(11)，就可以得到d-q軸電流補償量為

經過電流調節器得到控制電壓的解耦補償分量為

式中:kps為電流PI調節器比例參數;kis為電流PI調節器積分參數。最后經過變換后得到參考電壓矢量實現PWM調制。

圖1 基于電壓解耦補償的直流并網控制策略Fig.1 DC connection grid control strategy based on voltage dynamic compensation

3 輔助支撐電容直流斬波電路

為同時滿足接入分布式直流電網和工業直流負荷對直流電壓等級的要求，寬風速變化范圍下，機側PWM變流器的直流電壓調節能力有限。為實現恒壓并網，就要借助直流斬波環節的直流電壓匹配作用，因此設計的直流斬波電路應具有升降壓功能。在盡量不增加成本的基礎上，對電路拓撲結構進行了改進，如圖2所示。與常見的升降壓斬波電路結構不同，圖2中通過增加Cdc2這一輔助支撐電容，從而緩解了電容對輸出電壓紋波和響應時間難以兼得的矛盾。

圖2 具有輔助支撐電容的斬波電路拓撲Fig.2 Topology of boost-buck chopper circuit with auxiliary support capacitance

假設直流斬波電路已經工作在穩態，圖2中直流斬波電路的等效電路如圖3所示。穩態下，因為Ldc1兩端電壓對時間的積分為零，因此得到輸出電壓與輸入電壓的關系為

式中:ton為V1的開通時間;toff為V1的關斷時間;為V1的開關周期;d'為V1的占空比，且

根據圖3可知，該結構不改變原有斬波電路升降壓關系，但是在永磁風力發電機切入工作狀態時卻可以在要求電壓紋波情況下大大減小響應時間，與軟件上面提高響應速度的方法相比，硬件辦法更為直接和有效。結合機側PWM變流器的電壓解耦補償控制算法可以更好的實現整個系統的恒壓控制，拓寬了工作范圍。進而也大大提高了系統的穩態響應能力，解決了直流并網點或是其他工業直流負荷對電壓穩定快速性的要求。

圖3 開關動作時等效電路Fig.3 Equivalent circuit of switch work

4 系統仿真與實驗

4.1 系統仿真

為說明本文電壓動態解耦補償控制的有效性，基于Matlab/SIMULINK對其進行了仿真研究，并通過對比分析進行驗證。首先假設在穩態運行過程中，突加一個直流母線電壓擾動量來模擬實際中的母線電壓波動，如圖4所示。此時，永磁風力發電機的三相交流電流和d-q軸電流變化過程分別如圖5和圖6所示。可以看到，0.2 s時系統在外界某種擾動下母線電壓產生了一定的波動，此時永磁風力發電機的三相電流出現較大波動，并且出現了三相電流幅值不對稱的情況，系統經過大約0.2 s的調整后，三相電流幅值基本恢復對稱，但是此時，隨著負載的減小，系統輸出功率變小。由于電壓仍然有少許的震蕩，系統三相電流波形未能恢復到原來水平，電流波形相對較差。同理，圖6中的d-q軸電流情況與圖5中的三相電流類似，隨著總電流的減小，dq軸電流都有一定的減小。采用解耦補償算法后，在上述直流母線電壓振蕩下，給出了電機d-q軸電流如圖7所示。可見補償后可以減小擾動對電機影響，提高了系統的抗干擾能力。由式(10)可以看到，實質上系統擾動的影響是通過機側輸入電抗器傳遞到直流側的，而補償的最終結果是通過電流的作用來實現的。

4.2 實驗分析

為了實驗驗證控制算法，搭建了基于 DSP TMS320LF2407為控制核心的實驗平臺。在模擬整個風力發電系統的過程中，由直流電動機通過減速機連接到永磁風力發電機。用直流電動機模擬實際中的風力機，用一臺風機來模擬實際中永磁風力發電機周圍的風場情況。由接觸器、斷路器等開關器件控制整個實驗系統的工作，系統性能測試平臺由PZ4000、WT230等測試儀器組成數據自動采集平臺。圖8為系統停車時未采用補償和采用補償時永磁風力發電機三相電流和機側PWM變流器輸出直流電壓udc1從200 V到零的過程。圖9為系統因某種擾動導致電流波形變壞，不過采用補償之后，可以很好的解決這一問題。通過上述實驗分析，可以看到，本文研究的控制方案可以很好的實現永磁風力發電機作為分布式電源的直流并網，并且能夠滿足系統的穩定性等要求。

圖9 擾動時三相電流和直流電壓udc1Fig.9 Three phase currents and udc1of disturbance

5 結論

1)分析了永磁風力發電機勵磁分量控制原則，進而為電機的高性能控制提供依據;同時也保證了電機和變流器匹配能更好的匹配工作。

2)得到了同步旋轉坐標系下基于動態電壓解耦補償的具有寬運行范圍的分布式直流并網變流器控制方案，增加了系統的抗干擾能力，使輸出功率更加平滑。

3)采用輔助支撐電容的直流斬波電路進一步實現直流電壓的匹配，最后實現永磁風力發電機的變速恒壓控制，使其可以廣泛的應用到不同直流電壓等級要求的工業直流負荷和直流組網。

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(編輯:張詩閣)

Dynamic voltage decoupling compensation control of distributed DC grid converter for permanent magnet wind generator

TANG Ren-yuan， ZHANG Hong-yang， ZHANG Zhi-feng， ZHU Jian-guang
(National Engineering Research Center for Rare Earth Permanent Magnet Machine，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

In order to satisfy the demands of distributed DC grid with permanent magnet(synchronous)wind generator，the control strategy of distributed DC grid converter based on dynamic voltage compensation is proposed and studied with wide operation range.The control principle of excitation component was analyzed，and the basis was provided for high performances and so on.The disturbance variable was defined considering the cross coupling and voltage fluctuates based on the coordinate rotary system，and then the system was compensated.The DC chopper circuit was adopted with auxiliary support capacitance for the matching of diffirent DC voltage level.Fnially，the ariable speed constant voltage control of permanent magnet wind generator was implemented.Simulation and experimental vertify the feasibility and validity of the control stategies.

permanent magnet wind generator;distributed DC grid;dynamic voltage compensation;high performances operation;ariable speed constant voltage

TM 315

A

1007－449X(2011)05－0001－06

2011－03－21

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2008AA052412);遼寧省教育廳資助項目(LT20100079)

唐任遠(1931—)，男，中國工程院院士，教授，博士生導師，研究方向為永磁電機設計及其控制;

張洪陽(1982—)，男，博士研究生，研究方向為永磁電機控制和風電變流器設計;

張志鋒(1981—)，男，博士研究生，研究方向為電機直接轉矩控制;

朱建光(1970—)，男，博士，副教授，研究方向為電機控制系統設計。