直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)及電機(jī)控制的研究

陳端航，李少綱，金昌錦

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108)

直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)及電機(jī)控制的研究

陳端航，李少綱，金昌錦

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108)

在對直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立起永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，針對雙PWM變頻器的特點(diǎn)，對永磁發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制進(jìn)行研究，提出發(fā)電機(jī)的機(jī)側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器分開控制的控制方法。

風(fēng)力發(fā)電；直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)；變換器控制

1 引言

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電以其優(yōu)越的性能，已經(jīng)成為風(fēng)力風(fēng)電的主流。其中最具有潛力的兩種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和交流勵磁雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[1]。兩種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)盡管存在發(fā)電機(jī)體積大、成本高等不足，卻省掉了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中故障率較高的齒輪箱，通過風(fēng)機(jī)直接驅(qū)動多級低速永磁同步電機(jī)，經(jīng)全功率變換器送至電網(wǎng)，運(yùn)行效率高、維護(hù)成本低，使其成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展方向。由于全控型器件IGBT構(gòu)成的雙PWM型永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)發(fā)電系統(tǒng)具有發(fā)電效率高和優(yōu)良的運(yùn)行特性，使其受到了廣泛關(guān)注。本文通過介紹永磁風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)PWM控制策略，在Matlab/Simulink平臺上搭建了模型，并給出了仿真結(jié)果，證明了該控制系統(tǒng)的可行性。

2 雙PWM型風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

本文采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，風(fēng)機(jī)直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)。隨機(jī)產(chǎn)生變化的風(fēng)速導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出不斷變化的電流，經(jīng)PWM整流器變?yōu)殡妷汉愣ǖ闹绷麟姡?jīng)直流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)由電網(wǎng)逆變器將電能饋入電網(wǎng)。

圖1 雙PWM型風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

風(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)相連，發(fā)電機(jī)定子連接機(jī)側(cè)變流器，機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器均為IGBT反并聯(lián)續(xù)流二極管的三相橋電路，中間通過直流環(huán)節(jié)相連，網(wǎng)側(cè)變流器連接電網(wǎng)。

電路中的PWM變流器分兩種。電流測變流器用于控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使其跟隨風(fēng)速的變化而變化來追蹤最佳風(fēng)能，網(wǎng)側(cè)變流器作用是穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓。并將發(fā)電機(jī)輸出到直流側(cè)的電能轉(zhuǎn)換為頻率和幅值與電網(wǎng)相同的交流電能饋入電網(wǎng)[2]。

3 系統(tǒng)控制

3.1 機(jī)側(cè)變流器控制

機(jī)側(cè)變換器負(fù)責(zé)控制PMSG輸出的功率以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤控制[3]。

機(jī)側(cè)變換器采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向的零d軸電流矢量控制。由于永磁同步電機(jī)不需要提供勵磁電流，故將定子電流的合成矢量定向在永磁同步電機(jī)d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的q軸上，定子電流全部用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，通過控制定子電流q軸分量，控制永磁發(fā)電機(jī)輸出的有功功率。使用轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)的控制方式來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速外環(huán)參考值由最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法給出，轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到q軸電流分量參考值，表達(dá)式為

d軸電流分量控制發(fā)電機(jī)輸出的無功功率，而風(fēng)電系統(tǒng)通常運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，故將d軸電流參考值設(shè)為零，電流偏差通過PI調(diào)節(jié)后加上前饋補(bǔ)償量得到調(diào)制電壓d-q參考值，表達(dá)式為

式中：L為PMSG定子交、直軸電感。調(diào)制電壓d-q軸參考值再經(jīng)過坐標(biāo)變換，采用空間矢量調(diào)制(Space Vector Pluse Width Modulation，SVPWM)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，控制機(jī)側(cè)變換器開關(guān)管通斷。

3.2 網(wǎng)側(cè)逆變器控制

網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓d-q坐標(biāo)系下表達(dá)式為[4]：

式中：L、R為電抗器的電感、電阻ud、uq為網(wǎng)側(cè)電流的d-q軸分量；ωg為電網(wǎng)電壓角頻率。網(wǎng)側(cè)變流器采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制。將電網(wǎng)電壓的合成矢量定向在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸上，控制電網(wǎng)電流的d-q軸分量，實(shí)現(xiàn)有功、無功的解耦控制。

網(wǎng)側(cè)d軸電流參考值由直流環(huán)節(jié)電壓偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到，q軸電流參考值由無功功率偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到，表達(dá)式為：

電流偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)加上前饋解耦控制補(bǔ)償后，得到網(wǎng)側(cè)變換器的調(diào)制電壓d-q軸參考值，表達(dá)式為:

調(diào)制電壓d-q軸參考值再經(jīng)過坐標(biāo)變換，坐標(biāo)變換的角度通過軟件鎖相環(huán)(Soft Phase Locked Loop，SPLL)獲得，采用SVPWM產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，控制網(wǎng)側(cè)變換器開關(guān)通斷。

4 仿真與分析

在上述基礎(chǔ)上，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建整個直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的仿真模型，仿真參數(shù)設(shè)置為：風(fēng)電機(jī)組額定功率1.5MW，永磁同步發(fā)電機(jī)極對數(shù)36，額定電壓690V，額定轉(zhuǎn)速17.3r/min；并網(wǎng)變換器開關(guān)頻率2kHz，直流環(huán)節(jié)電容68000pF，額定電壓650V；電網(wǎng)額定電壓690V，額定頻率50Hz，濾波電感2mH。給出了風(fēng)機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩固定值時，直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的部分仿真結(jié)果。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了雙PWM型風(fēng)電系統(tǒng)的機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略，通過Matlab/Simulink仿真結(jié)果進(jìn)一步證明該控制策略的有效性。從圖中分析可知，控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤，直流側(cè)的穩(wěn)定，q軸電流穩(wěn)定在0A，不過波動超調(diào)量大，需要進(jìn)一步提高精度。

[1] 王文亮.儲能型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行控制研究[D].北京交通大學(xué)，2010.

[2] 郭林杰，趙建勇.基于雙PWM協(xié)調(diào)控制的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[J],微型機(jī)與應(yīng)用,2013.

[3] 姚駿，廖勇，瞿興鴻，等.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳風(fēng)能跟蹤控制[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008,32(10)：11-27.

[4] 林國富.超導(dǎo)儲能改善直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行性能研究[D].蘭州理工大學(xué),2013.

Research on Multi-megawatt Direct Drive Wind Power System and Generator Control

CHENDuan-hang，LIShao-gang，JINChang-jin

(School of Electrical Engineering and Automation of Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China)

A mathematical model is established for permanent magnetic synchronous generators on the basis of the analysis on direct permanent magnetic power system.The paper studies the control on permanent generator running in consideration of the characteristics of double PWM converters,and put forward the method to control the converters at generator side and grid side separately.

wind-power generator；direct drive permanent synchronous generator；converter control

1004-289X(2015)03-0081-03

TM614

B

2014-05-09

陳端航(1989-)，男，碩士研究生，研究方向:新能源應(yīng)用; 李少綱(1962-)，男，副教授，碩導(dǎo)，研究方向:建筑電氣； 金昌錦(1989-)，男，碩士研究生，研究方向:分布式能源與配電網(wǎng)。