基于MERS的永磁風力發電機電抗補償策略*

李 杰， 屈克慶

(1.上海開放大學信息與工程系，上海 200433;

2.上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

0 引言

在直驅式風力并網發電系統中采用雙PWM變流器可以改善機側諧波，提高系統的輸出能力，但是成本較高，控制也較復雜，另外發電機和機側變流器之間還必須有濾波裝置，也增加了系統的損耗。如果變流系統機側采用無源整流，則結構簡單，控制方便，但發電機交流電抗對于直驅式風電系統的輸出能力影響顯著。采用無源整流時，由于兩個原因導致發電機輸出功率減小:(1)電流波形不是正弦波，低次諧波造成發電機的損耗增加;(2)整流器交流進線電抗造成的換向重疊角，使電流基波相位滯后，整流電壓降低，輸出功率減小［1］。

文獻［2］指出，在通常的整流裝置中，交流進線電抗是整流變壓器的漏抗，值很小，對輸出功率的影響小。但是在直驅式永磁同步風電系統無源整流結構中，進線電抗是永磁發電機的同步電抗，其值很大，對輸出功率的影響亦很大。要想無源整流和有源整流輸出同樣功率，必須加大發電機，使電機造價約增加40%，反而抵消了無源整流器簡單、便宜帶來的好處。

因此，對于直驅式永磁同步機風電系統而言，要想使得系統既結構簡單又真正意義上縮減成本，盡量消除永磁同步發電機交流電抗的影響是必要的工作。近年來一種被稱為磁能恢復開關(Magnetic Energy Recovery Switch，MERS)的拓撲受到了研究人員的重視，并進行了一些研究［3-7］。MERS可用于任何需電抗補償的場合，因此也可以用于永磁同步機風力發電場合。本文詳細分析了MERS的工作原理，并研究了其在永磁同步機風電系統中的應用及控制方法，給出仿真結果。

1 MERS系統結構及工作原理

MERS的基本結構如圖1中大虛框內所示。4個IGBT(或MOSFET)構成兩條并聯橋臂，每個橋臂上串聯兩個IGBT。每個IGBT都反并聯一個二極管，并且每個IGBT都與所串聯的IGBT及所并聯IGBT反向。橋臂中點連有一個電解電容。MERS被串聯在交流電源和負載之間，它能夠吸收儲存在電路電感中的磁能，也能把磁能恢復到負載上。通過改變MERS的開關相位角還可以控制電流的相位。S1、S3的開關相位設置為超前電源電動勢90°時，電感上的感性電壓就可以被電容的電壓補償掉，這樣的話，還能使電路的功率因數為1。

圖1 MERS基本結構及應用

為了分析方便，首先假設電流連續，且忽略電源內阻，則在沒有MERS的情況下，基波矢量關系如圖2(a)所示，其中E為電動勢，I為電流，UL為電感兩端電壓，Uo為電阻負載兩端電壓，可以看出在電感的作用下，Uo小于E;而在圖2(b)中應用MERS的情況下，利用UMERS抵消了UL的作用，則Uo等于E，提高了功率因數，進而有效提高了輸出電壓及系統的效率。

為了詳細說明MERS的工作原理，本節給出了仿真時的MERS工作時序圖(見圖3)和MERS換流過程圖(見圖4)。在圖3中:(1)為電源電動勢;(2)為開關信號，其中上面的信號為1、3號開關的開關信號，下面的信號為2、4號開關的開關信號，兩者互補，各開通半個周期;(3)為MERS內電容電壓;(4)為1號開關兩端承受的電壓;(5)～(8)分別為1～4號開關的電流波形;(9)為負載上電流波形;(2)中的開關信號如上所述領先電源電動勢90°。下面從t0開始分析。

t0時刻，電動勢剛好為負的最大值;按照上述觸發規則，此時 S1、S3觸發，S2、S4關閉;由圖3可知，此時MERS內電容電壓UM為零，負載電流為負。在t0時刻之后，雖然S1、S3上已經有觸發信號，不過由于其各自反并聯的二極管VD1、VD3均導通，S1、S3承受反壓而沒有開通，此時負的電流經VD1、VD3續流，且開始給電容CM充電，電感中的能量逐漸釋放到電容中，如圖4(a)所示。

圖4 MERS換流過程

隨著MERS電容電壓UM的不斷增加，負的電流逐漸減小，在t1時刻，UM到達最大值，而此時電流為零，如圖4(b)所示。

t1時刻之后，在E、UM、UL的共同作用下，MERS電容開始通過 S1、S3放電，電流為正，而VD2、VD4由于承受反壓而沒有導通，在t0～t1時段電感存儲于CM的能量重新釋放出來，電路工作情況如圖4(c)所示。

t2時刻，MERS電容電壓下降到零，之后VD2、VD4導通，由于兩路器件參數完全相同，所以電流均分為兩路分別經VD4-S1和S3-VD2流過，如圖4(d)所示。由圖3中(5)～(8)亦可看出此時電流經由上下兩路均分。

t3時刻，S2、S4 觸發，S1、S3 關閉，此時由于電感的存在，電流通過VD2、VD4續流，并重新開始給電容充電，而S2、S4由于VD2、VD4導通，從而承受反壓無法導通，t3～t4時刻電路工況如圖4(e)所示。

與t1時刻相同，隨著UM的不斷增加，正的電流逐漸減小，在t4時刻UC到達最大值，此時電流為零，如圖4(f)所示。

t4之后，在E、UM、UL的共同作用下，電流負向增加，電容放電，電流流經S2、S4，電路工作情況如圖4(g)所示。

在t5時刻，電容電壓下降為零，負的電流分別經VD1-S4及S2-VD3流過，由于器件參數相同，所以兩路均流，電路工作情況如圖4(h)所示。這個均流過程結束后，電路又回到t0時刻的工況。

2 基于MERS的永磁同步機風電系統及其補償控制

前文指出，使用二極管整流橋的直驅式風電系統由于發電機同步電抗的原因，隨著電流的上升整流橋輸出電壓會減小。如果能將上述MERS裝置應用于這種風電系統，則有望提高系統的輸出能力。MERS能改善機側功率因數，還能產生電壓來補償發電機同步電抗的影響。電機輸出電壓越高，越能提高風力發電系統的輸出功率和效率。

圖5是帶有MERS的永磁同步機風力發電系統結構框圖。當MERS應用于永磁同步風電系統時，由于系統為三相系統，所以應該如圖5所示，在發電機每一相輸出串接一個MERS網絡。為了便于分析，假設電流連續且負載為純阻型，并只對一相進行分析。圖6是同步發電機和MERS串聯的等效電路。同步機的等效電路由感應電動勢和同步電抗xs以及電樞繞組電阻rs的串聯來表示。在一個不帶MERS的系統中，假設負載的功率因數為1，輸出端電壓0由式(1)表示:

圖7是帶MERS的永磁同步發電機的向量圖。感應電動勢與輸出電流同相位。由于MERS的功率因數控制和電抗電壓補償作用，輸出電壓的壓降只是繞組電阻壓降，與沒有MERS系統相比，有MERS系統的輸出電壓提高。

圖7 永磁同步發電機和MERS串聯的向量圖

MERS控制簡單，沒有閉環控制系統。在永磁同步機風力發電系統中，只需要通過測速光電碼盤確定感應電動勢的初始相位(感生電動勢矢量超前永磁體磁鏈矢量90°)，就可以按上述控制思路來驅動MERS裝置上IGBT的開通與關斷，從而實現發電機電抗的補償和功率因數的校正。這樣的系統需要12個IGBT器件，同其他有源補償電路相比，其開關導通損耗較大。但是由于系統中MERS的開關頻率和電樞電壓頻率相同，IGBT的開關損耗很小甚至可以忽略，此外還省去了濾波電感的損耗，因此總體上損耗反而減少［4］。

3 仿真研究

本文對帶MERS的永磁同步發電機電抗補償策略進行了仿真研究。由于MERS裝置設計的關鍵是其中電容與待補償系統的匹配問題，因此有必要先研究電容CM的選取原則。為此按圖6進行了單相電路的仿真研究，電路輸出端接一個負載電阻。仿真參數如下:電源電動勢幅值130 V，頻率50 Hz，電源內阻 1.55 Ω，電源內部電感8.12 mH，直流側電容1 200 μF。每次改變CM的值，并相應改變負載電阻的大小，使每次仿真電源輸出功率大致一致，以期比較在輸出功率相同的情況下，CM對MERS補償效果的影響。

仿真結果如圖8及表1所示。圖8中(1)為電網電動勢;(2)為交流側電流;(3)為MERS網絡中CM電壓UM;(4)為直流整流電壓。

表1 MERS網絡中CM取不同值時的對比

通過圖8及表1中的對比可看出，當CM超過某一臨界值之后，隨著CM的增加MERS的補償效果除了在THD降低方面略有加強，其他效果就基本保持不變，而當CM在這個臨界值以下時，隨著CM的增加，MERS的補償效果亦隨之增強。通過仿真研究發現，此臨界值即電路中的電容諧振值，以圖8及表1的仿真為例，電源頻率為50 Hz，電源內部電感為8.12 mH，則諧振電容值為

由于此時網側電流并不是完全的正弦波，實際的臨界電容值會比上述CR略小，故設計MERS系統時，CM取值為CR即可。但是對于永磁同步風電系統而言，發電機電動勢隨著轉速的不同而不同，為了能在所有工況下MERS都能完全發揮功效，應以按照系統最大轉速所對應的發電機電動勢頻率來計算CM值。需指出的是當CM超出臨界電容值之后，CM不會放電至零，所以不存在換流分析過程中兩路均流的過程，即圖4(d)、4(h)中的電路工作情況。

圖8 輸出功率相同時CM不同取值的對比

對于MERS裝置在永磁同步機風力發電系統中對發電機電抗補償的作用，本文也進行了仿真研究。仿真參數如下:永磁同步發電機內阻1.7 Ω，同步電抗 3 mH，每極磁通量0.371 4 Wb，轉動慣量 10 kg·m2，36對極，摩擦系數 1×10－3N·m·s。MERS 電容CM為150 μF;直流側電容Cdc為1 200 μF。在永磁同步風電系統中，當系統處于穩定工作狀態時，整流橋直流側功率輸出穩定，可以用一個電阻R來代替表示。仿真過程中，通過調整直流側電阻R的值使得每次發電機相電流有效值相同，以此來比較相同條件下應用了MERS的系統與未應用MERS的系統的性能差異;另外發電機采用恒轉速輸入，這樣發電機電動勢的幅值與頻率亦保持恒定，由于轉速為30 rad/s，所以有如圖9所示為負載較大、發電機輸出電流連續的情況下，應用MERS與不用MERS的情況比較，其中(1)為發電機反電動勢;(2)為發電機輸出電流;(3)為直流輸出電壓。具體數值記錄在表2中。從表2可看出，在發電機輸出相電流相同的情況下，通過MERS的補償作用，功率因數被校正為接近1，輸出電壓大幅提高，輸出有功功率也大大增加，只是諧波略有增加，但相比其優點而言可以忽略，上述效果亦可從圖9中直接看出。

表2 電流連續時MERS的補償效果

圖9 電流連續時MERS的補償效果

以上分析中一直假設電流連續，此處做了電流不連續情況下的仿真，如圖10所示，具體數據記錄在表3中。與電流連續情況下類似，應用MERS后功率因數被校正為1，輸出電壓提高，輸出有功功率也增加，而且這時電流諧波反而下降。

表3 電流不連續時MERS的補償效果

圖10 電流不連續時MERS的補償效果

圖11(a)是有MERS系統和無MERS系統在發電機相電流與直流側輸出功率關系曲線中的對比，顯然相同相電流下，有MERS系統比無MERS系統的輸出能力強。圖11(b)是有MERS系統和無MERS系統在發電機相電流與直流側輸出電壓關系曲線中的對比，顯然在相同相電流下，有MERS系統比無MERS系統的直流輸出電壓高，重載下的輸出特性更硬一些。

圖11 直流側輸出功率和電壓對發電機相電流的關系圖

4 結語

通過上文的理論分析和仿真可知，MERS能改善永磁同步機風力發電系統機側功率因數，并產生電壓來補償發電機同步電抗的影響，從而提高了風電系統的輸出功率和效率。盡管這樣的系統增加了12個IGBT器件，同其他有源補償電路相比其開關導通損耗較大，但是由于系統中MERS的開關頻率很低，總的開關損耗很小甚至可以忽略，另外省去了濾波電感的損耗，因此總體來看損耗是減少的。總之，MERS裝置在提高永磁發電機輸出電壓和過載能力方面效果顯著，且永磁同步發電機表現出和直流發電機一樣較硬的輸出特性。使用MERS的變流系統有望使帶同步電機的風力發電系統結構更加緊湊，同時與傳統系統相比在提高系統效率方面大有潛力。

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