基于3電平整流器的永磁同步電機側的研究

丁佐進，屈克慶，邢月紅，牛清泉

(上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

變速恒頻風力發電技術是目前應用較為廣泛的風力發電技術，能夠適應很大的風速變化范圍，有效地利用風能［1］.目前投入使用的變速恒頻風力發電機組大多是雙饋風力發電機組，不能適應對轉子轉速的要求，在使用齒輪變速箱進行調速的過程中，增大了機械損耗，降低了能量轉換效率和運行的可靠性;此外，因其增加了變速箱部件也會提高運行維護的費用.永磁同步風力發電系統可以避免雙饋風力發電機組的上述缺點，除了穩定性高、噪音低外，更是具備有功和無功功率可調的優點，克服了雙饋電機無功功率不足的缺陷［2］.在大力發展風電的今天，風力發電機組單機容量在不斷增加，對風力機組的可靠性和效率的要求也不斷提高.隨著發電控制設備發電成本的降低和風力發電技術的進步，大功率同步風力發電系統有著更廣闊的應用前景［3］.3電平變換控制技術對大功率永磁同步風力發電機的轉速控制及風力發電系統的并網提供了支持，已成為現階段風力發電的研究熱點.

與傳統兩電平電路相比，3電平逆變電路開關器件承受較小的開關應力，能夠提高逆變器的傳輸功率，具有更低的電流諧波畸變率.與SPWM和方波控制相比，空間矢量PWM控制具有電壓利用率高、動態響應快等特點，避免滯環電流PWM控制因開關頻率不固定而產生諧波的不利因素［4］.

3電平空間矢量(Space Vector Pulse Wind Modulation，SVPWM)控制的傳輸功率高、諧波畸變率低、電壓利用率高，將其應用于大功率永磁同步風力發電機整流側控制系統，使其具有動態響應快速、穩態精度較好，以及電流總諧波畸變含量較低等優勢，以達到良好的控制效果［5］.

1 3電平變換器的拓撲結構選擇

1.1 電路拓撲分析

目前風力發電系統通常采用不控整流電路或2電平PWM整流電路，導致交流側電壓電流波形較差，功率因數不高，尤其對于交流側發電機的正常穩定運行極為不利.因此，在整流電路中采用二極管箝位式3電平可控整流電路［6］.在該3電平拓撲結構中，開關器件承受電壓僅為2電平拓撲結構時電壓的1/2，濾波電感損耗比2電平的小，這種形式可以克服傳統2電平變流器交流側波形畸變率高的缺點，還可以在采用同樣耐壓等級開關器件的情況下提高變流器的電壓等級，達到變流器高壓大功率傳輸的目的.因此，在AC/DC轉換電路中采用3電平可控整流電路，并運用3電平空間矢量(SVPWM)雙閉環控制策略來控制發電機的轉速和直流母線電壓，可使風力發電機穩定地運行，同時也為后續DC/AC逆變并網提供有利的條件.

圖1為二極管箝位式3電平可控整流系統.在此3電平電路拓撲中，每相4個功率開關管的狀態組合形成3種工作模式.

圖1 二極管中點箝位3電平SVPWM整流電路拓撲

以圖1中的A相為例，當VT1和VT2開關管導通、VT3和VT4開關管關斷時，A相電壓為Ud/2，稱其工作狀態為P;當VT2和VT3開關管導通、VT1和VT4開關管關斷時，A相電壓為零，稱其工作狀態為O;當VT3和 VT4開關管導通、VT1和VT2開關管關斷時，A相電壓為－Ud/2，稱其工作狀態為N.

1.2 3電平SVPWM觸發脈沖

SVPWM算法實質上就是通過控制整流器不同的開關模式，使整流器瞬時輸出的三相脈沖電壓構成的電壓空間矢量與所期望輸出的三相對稱正弦波電壓構成的電壓空間矢量相等.

1.2.1 3電平電壓矢量圖的劃分

圖2 3電平空間電壓矢量示意

3電平輸出電壓矢量特性的六角形空間電壓矢量圖如圖2所示.義為大矢量，如PNN和PPN;幅值為的矢量定義為中矢量，如PON;幅值為Ed/3的矢量定義為小矢量，如PPO和ONN.根據空間矢量的角度θ來判斷扇區，θ的范圍為［0，2π］，因此用 θ/60再取整的方法來判斷參考矢量的扇區及區域.其扇區劃分如圖2所示，小區域劃分如圖3所示.

1.2.2 電壓矢量作用時間計算

落在每個扇區區域內的Uref矢量可由臨近的矢量合成.假設臨近期望矢量為矢量U1，U2，U3，則空間矢量合成的伏秒平衡原則為:

三相對稱電壓可以定義成定子空間電壓矢量Uref，即:

式中:a=ej2π/3;

Ua，Ub，Uc——參考電壓.

式(1)通過坐標變換，在α-β坐標系中表示為:

式中:Uα——Uref的實部;

Uβ——Uref的虛部;

|Uref|——幅值;

θ——相角.

3電平整流電路每相有P，O，N 3個工作狀態，整個電路有A，B，C 3相，每個工作狀態都對應一個基本電壓矢量，因此3電平整流電路有27個基本電壓矢量.一般將幅值為2Ed/3的矢量定

式中:T1，T2，T3——矢量 U1，U2，U3的作用時間;

TS——空間矢量調制的控制周期.

圖3 第一扇區小區域空間電壓矢量示意

本文以第一扇區A區為例，計算在第一扇區內各區域各矢量對應的作用時間［7］.

由圖3可知，落在A區的Uref由PNN，PON，POO 3個矢量合成.PNN矢量模長為2Ed/3，PON矢量模長為/3，POO 矢量模長為 Ed/3，Uref矢量模長為

式中:m——空間矢量SVPWM調制深度，其定義為Uref與能夠線性調制的最大電壓之比.

由式(4)可得:

SVPWM的線性調制區位于圖2中的內切圓，線性調制時能夠輸出的最大電壓矢量幅值為因此其脈沖調制深度為:

同理也可求得其他扇區的小區域各矢量的作用時間.

每一矢量狀態轉化到另一矢量狀態時，只有其中一相狀態發生變化，例如POO→PPO時，只有B相狀態發生變化.這樣，同類型小矢量之間的相互轉換可以減少開關器件的工作次數，也能減少綜合畸變率，這對整流變換器工作十分有利.

2 3電平永磁同步電機整流側控制算法

2.1 永磁同步電機控制數學模型

圖1為二極管中點箝位3電平整流器主電路，永磁同步發電機機端電壓電流是三相對稱的.

通過坐標變換后在d-q同步旋轉坐標系下建立的數學模型［8，9］為:

式中:id，iq——發電機的d軸和q軸電流;

Ld，Lq——發電機的d軸和q軸電感;

Rs——定子電阻;

ωr——電角頻率，ωr=pωg(p為發電機轉子的極對數);

Ψf——永磁體的磁鏈;

ud，uq——us的 d 軸和 q 軸分量.

定義q軸分量電勢 eq=ωrΨf，d軸分量電勢ed=0.

由式(5)得出的d軸和q軸等效電路如圖4和圖5所示.

圖4 d軸等效電路

圖5 q軸等效電路

永磁同步電機在d-q-0坐標系上的電磁轉矩方程［10］為:

式中:Te——永磁同步發電機的電磁轉矩;

式中:Tm——風力機的機械轉矩;

J——發電機的轉動慣量;

ωg——發電機的機械角速度(由于是直驅，

故與風力機的機械角速度相等).

2.2 3電平整流器的控制算法

在直驅型風力發電系統3電平整流器側采用可控的PWM調制方法，可有效減小交流側電壓和電流的諧波，任意調節交流側功率因數，同時實現功率的雙向流動［11］.

根據式(7)可知，系統轉速ω與電磁轉矩Te相關，因此可以通過控制轉速ω獲得q軸電流的參考值iq*.由式(5)可知，Ud和Uq之間存在耦合項和ωrLqid，可以將電阻和電感產生的反電勢項看作干擾項，通過前饋補償的方法消除Ud和Uq間的耦合，其方程為:

np——永磁同步發電機的極對數.

將風機與永磁同步發電機作為一個系統，則其轉子運動方程為:

式中:kip，kiI——干擾項和相應比例積分系數;

s——拉普拉斯因子.

解耦后的干擾項，通過比例積分PI調節器控制，對其干擾修正補償，從而形成電流和轉速雙環控制.由此就可以得出雙閉環控制策略框圖，并在此基礎上，加入坐標變換環節即可構成完整的控制系統.

永磁同步發電機電機側控制如圖6所示.整個控制系統采用電壓和電流雙閉環控制，在3電平整流器中采用跟蹤指令電壓矢量的SVPWM電流控制方法.

永磁同步風力發電機組電機側的控制過程為:測量發電機電角度 θ;測量定子電流 ia，ib，ic，利用A-B-C坐標系到d-q-0坐標系的變換得到id，iq.

通過最佳葉尖速比獲得最佳轉速ω*(本文在仿真時手動設定ω*)，ω*與實測轉速ω的比較值經過PI調節器得到參考電流iq*，然后與實際電流iq相比較，再經過PI調節器和電壓補償環節(ωr(Lqiq+Ψf))得到參考電壓Uq.同時設定d軸電流參考值id*=0，與實際電流id相比較的值經過PI調節器和電壓補償環節(ωrLqiq)就可以得到參考電壓Ud.Ud和Uq經過d-q-0坐標系和α-β-0坐標系的變換得到參考電壓 Uα和 Uβ，這樣便可以利用空間矢量脈寬調制(SVPWM)的方法產生PWM波形，以實現對整流側的控制.

圖6 永磁同步發電機電機側控制示意

3 仿真研究

本文利用Matlab/Simulink軟件平臺建立了永磁同步風機發電系統及其三相電壓型PWM整流仿真模型，如圖7所示.對3電平永磁同步電機矢量控制進行了仿真研究，將三相靜止坐標系中的電流變換到空間旋轉同步坐標系中，則通過前饋補償解耦成兩相電流系統，將參考電壓矢量從d-q坐標系變換為α-β坐標系，再經過SVPWM脈沖產生模塊輸出驅動波形.

圖7 三相電壓型PWM整流器仿真模型

本文對永磁同步電機的參數設定如下:定子電阻為 2.875 Ω，直軸電感為 8.5 mH，交軸電感為8.5 mH，轉動慣量為 0.000 8 kg·m2，極對數為4，摩擦系數為0.給定風力機的風速為9 m/s.發動機轉速ω*設定為200 r/s，用以觀察永磁同步風力發電系統直流側負載電壓.圖8為該直流側負載母線電壓.

圖8 直流側負載母線電壓

由圖8可以看出，發電機發出的三相電壓經過整流后能夠輸出相對平穩的直流電壓.風力機獲得風速后，會產生機械轉矩Tm，帶動發電機的轉速快速上升，發出三相交流電，使得直流母線電壓也快速升高.通過所測得的定子電流在旋轉坐標下的q軸分量iq，對外環轉速進行控制，使得發電機轉速恒為200 r/s，此時風力機獲得此轉速下的輸出轉矩，使同步發電機發出穩定的交流電，進而達到控制直流母線電壓平穩恒定的目的.

4 結語

本文分析了永磁同步電機的數學模型，簡述了空間電壓矢量的SVPWM脈沖產生原理，搭建了直驅式永磁風力發電系統機側整流器的控制框圖，并進行了仿真研究.仿真結果表明，電流轉速雙閉環控制系統具有可行性，可以有效保持直流母線電壓的穩定，具有動態響應性能好、抗干擾能力強等優點，具有很強的實用性.

［1］劉萬琨，張志英，李銀風，等.風能與風力發電技術［M］.北京:化學工業出版社，2008:89-93.

［2］惠晶.新能源轉換與控制技術［M］.北京:機械工業出版社，2008:190-219.

［3］丁榮軍，黃濟榮.大功率變流技術與應用(四)［J］.變流技術電力牽引，2008(6):34-38.

［4］林渭勛.現代電力電子技術［M］.北京:機械工業出版社，2005:454-457.

［5］屈克慶，丁佐進，邢月紅.基于永磁同步風力發電機并網系統的低電壓穿越方法［J］.華東電力，2011，39(6):2 033-2 036.

［6］金紅元，鄒云屏，林磊.三電平PWM整流器雙環控制技術及中點電壓平衡控制技術的研究［J］.中國電機工程學報，2006，26(20):64-68.

［7］宋文祥，陳國呈.三電平中點鉗位式逆變器SVPWM方法的研究［J］.電工電能新技術，2004，23(4):30-33.

［8］陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.第2版.北京:機械工業出版社，1997:123-154.

［9］EDUARD Muljadi，BUTTERFIELD C P，WAN Yih-huie.Axial flux modular permanent magnet generator with a toroidal winding for wind turbine applications［J］.IEEE Trans.on Industry Application，1999，35(4):831-836.

［10］王成元，夏加寬.現代電機控制技術［M］.北京:機械工業出版社，2008:103-135.

［11］吳迪，張建文.變速直驅永磁風力發電機控制系統的研究［J］.大電機技術，2006(6):51-55.