直驅永磁同步風力發電機組建模與仿真

王旭峰

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南232001）

0 引言

目前，大規模風電場大多采用雙饋異步發電機，但其存在很多缺陷。特別在低電壓穿越能力方面，因為雙饋機的定子直接與電網相連，當電網發生故障或電壓出現波動時會對發電機的正常運行產生很大影響。永磁直驅同步風力發電機（permanent magnet synchronous generator,PMSG）因其沒有故障率較高的齒輪傳動，噪音小以及維護成本低等獨特優勢，已經成為風力發電領域重要研究方向。

直驅式永磁同步風電機組需經過全功率變流器才能接入電網，目前應用最多的是“AC-DC-AC”變流方式，其中采用背靠背四象限電壓源型變流器的聯網方式由于控制靈活而越來越受到重視。

1 永磁同步風電機組結構

該直驅永磁風力系統主要采用雙PWM背靠背方案，其結構如圖1所示。

圖1 直驅風電系統結構示意圖

永磁同步發電機定子通過背靠背變流器和電網連接，能夠實現網側的獨立控制，并把電網不對稱故障的影響最大限度的控制在網側。機側PWM變流器的主要作用是控制風力發電機的運行，并實現最大風能跟蹤。網側PWM變流器的主要作用是提供穩定的直流母線電壓，并實現網側的單位功率因數控制。

2 雙PWM變流器控制策略

2.1 機側變流器控制策略

機側變流器將頻率和幅值變化的交流電整流成恒定直流，同時通過調節發電機定子電流的d、q軸分量，進而控制發電機的電磁轉矩來完成最大風能捕獲。本文采用定子電壓定向的定子電流控制方法，取同步旋轉坐標系的d軸方向為定子電壓矢量的方向，則有usd＝us，usq＝0。

永磁同步電機電流方程[2]：

發電機的功率為：

由式（2）可見，在定子電壓定向的坐標系下，有功和無功電流是解耦的。但是由式（1）可見，定子的d、q軸電流除了受定子控制電壓usd、usq的影響外還存在耦合項。所以，在發電機的電流內環控制中，需要對定子的d、q軸電流分量分別進行PI閉環控制。在得到相應的控制定壓u′sd和 u′sq之后， 分別加上前饋電壓交叉項－ωeLisq和 ωeLisd+Es，即可實現電流的解耦控制。

2.2 網側變流器控制策略

網側變流器把直流母線電壓逆變為與電網電壓同頻率的交流電，通過調節接收端電流d、q軸分量可以維持直流母線電壓穩定，同時對流向電網的無功功率進行控制，實現有功和無功的單獨控制。本文以直流電壓Vdc和網側變流器與電網交換的無功功率Qc為控制目標，采用電網電壓定向的矢量控制方案，實現有功和無功的解耦控制。選取同步旋轉坐標系的d軸方向為電網電壓矢量方向，q軸順著旋轉方向超前d軸90°，則ed=E；eq=0。網側變流器的電壓方程為：

式中：ed、eq為電網電壓的 d、q 軸分量；ucd、ucq為網側變流器電壓的d、q軸分量。

網側變流器與電網交換的有功功率Pc和無功功率Qc分別為[3]：

由（4）可知，網側的有功和無功功率只與d、q軸電流有關，實現完全解耦。但是由式（3）可見，網側變流器動態模型中還存在相互耦合項。通過前饋補償法分別加上－ωcLcicq和ωcLcicd，就可以實現解耦。

3 仿真分析

根據上述理論分析，建立仿真模型，仿真參數：額定功率1.5MW，額定電壓0.69kV，額定轉速18r/min，極對數32，定子電阻0.0001p.u，直流電容30000μF，直流電壓25kV，機側變流器開關頻率2kHz，網側變流器開關頻率0.5kHz，風機數量40臺，總容量60MW。

該系統共有4個發電單元，每單元出口電壓是690V，然后分別經過一個額定容量為20MVA的機側PMW變流器，將幅值、頻率變化的交流電整流為25kV直流電。其中兩個單元經過10km直流輸電電纜，另外兩個單元經過5km直流輸電電纜然后共同連接至一個額定容量為65MVA的網側PWM變流器，將25kV直流電逆變為頻率50Hz的690V交流電。再通過額定容量為65MVA，額定電壓分別為0.69kV/20kV和20kV/110kV的兩個升壓變壓器，將電能接入110kV的無窮大電網。仿真結果如圖2所示。

圖2 各參數仿真結果曲線分布

由圖2(a)可見，經歷1.159s左右的啟動階段后，單臺發電機的有功功率能夠達到額定功率1.5MW并保持穩定。說明在風電場啟動之后，機側變流器能夠控制發電機輸出有功功率以實現最佳風能跟蹤。由圖2(b)可見，在0.74s左右網側變流器能夠實現單位功率因數并網運行；由圖2(c)可見，該網側變流器可以有效維持直流母線電壓穩定在25k V；由圖2(d)可見，在1.159s時電網高壓側的相電壓與給定值相等并且保持穩定，是63.51kV。說明本文采用的網側變流器控制策略能夠維持直流母線電壓穩定，同時通過電流解耦控制可以滿足有功和無功功率的單獨控制。

4 結語

本文分析研究了永磁直驅風力發電系統的工作原理，根據機側和網側變流器的控制目標設計了全功率變流器的控制策略。在DIgSILENT/PowerFactory仿真平臺中建立了完整的基于雙PWM變流器并網的永磁直驅風電系統仿真模型，仿真結果表明系統能很好的跟蹤參考值，實現最大風能跟蹤以及并網有功和無功的獨立控制，驗證了該發電場并網技術的可行性。

［1］李杰.直驅式風力發電變流系統拓撲及控制策略研究[D].上海：上海大學,2009：23-25.

［2］王濤.永磁同步電機矢量控制系統建模與仿真[J].河北大學學報,2011(11)：648-652.

［3］Liserre M,Cardenas R,Molinas M,et al.Overview of Multi-MW wind turbines and wind parks[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics,2011,58(4)：1081-1095.