1.5 MW直驅風力發電機變流器控制策略的研究

程樂++滿于維

摘 要：主要對直驅風力發電機變流器主回路的設計進行了研究，提出了一種采用被動整流+Boost升壓電路的架構，可使電機側控制簡化，不再需要復雜的發電機轉速和磁場估計算法。研究內容主要包括變流器主回路的設計、電機側Boost電流控制和網側變流器的并網電流控制。

關鍵詞：主回路；變頻器；整流器；網側逆變器

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.086

1 概述

直驅機組采用永磁同步電機、無增速齒箱設計和全功率變頻器，可實現功率的柔性控制。該功能的主要意義在于控制風電場的整體出力，特別是在大風天氣下可通過控制風電場的輸出，配合電力系統調度生產電力，以保證電網的安全、穩定運行。本文對直驅風力發電機組并網變流器進行了理論分析，計算了主回路參數，并對機側和網側變流器的控制方法展開了研究。

2 直驅風電并網變流器主電路的設計

在直驅并網變流器技術的基礎上，設計了變流器主電路的各個環節，主要包括電機側補償電容的設計、被動整流單元的設計、Boost（升壓）單元的設計、直流母線電容的設計、網側逆變單元的設計和并網LCL濾波器的設計。采用這種拓撲的優勢有以下3點：①采用被動整流，電機側電流為連續量，因此，系統的du/dt很低，接近于0；②采用三相四線制，直流母線接地，大大降低了共模電壓；③被動整流+Boost升壓電路的架構可使電機側控制簡化。

3 主回路控制器的設計

3.1 電機側Boost電流控制

電機側采用不控整流的電路結構，通過升壓斬波器調節其輸入電流、控制發電機的負載轉矩，從而實現對發電機的調節。

在風電系統中，變流器發電機側電路的主要功能是從發電機最大可能地拉取功率，并注入直流母線。設定Boost電流參考可保證風力發電機在最大功率點附近（或按照設定功率曲線）運行。

在此系統中，設定Boost電流參考保證系統按照設定功率曲線運行的功能由主控GH策略完成。主控根據GH策略計算得到的發電機功率設定除以變流器的整流電壓，即可得到Boost電流設定，并通過通訊電纜將設定指令傳遞給變流器。

發電機輸出經不可控整流后，經過Boost升壓電路注入直流母線電容，將電感電流控制為給定直流量。升壓電路電流模型如下：

. （1）

式（1）中：L為升壓電路電感值；i為電感電流；Vrec為不可控整流后電壓；S為Boost電路開關函數；Vdc為直流母線電容電壓。

設開關周期為T，一個開關周期內IGBT導通時間所占的比例為d，即占空比。當在開關周期足夠短的情況下，可近似認為整流電壓Vrec和直流母線電壓Vdc在一個開關周期內保持恒定，則當Boost電路IGBT導通時，S=0，電感電流上升，且：

. （2）

當Boost電路IGBT關斷時，S=1，電流經上橋臂二極管續流，電感電流下降，且：

. （3）

在一個開關周期內，Boost電流的變化可近似為：

Vrec·dT+（Vrec-Vdc）·（1-d）T （4）

由式（4）可得到一個開關周期內Boost電流的平均變化近似為：

. （5）

式（5）即為Boost電路的平均電流模型。當在開關周期足夠短的情況下，該平均電流模型具有可用的精度保證。由Boost電路的平均電流模型可發現，Boost電流與占空比的補（1-d）為簡單的積分關系，即：

. （6）

采用上述系統控制器設計會變得非常容易。采用PI控制器

時，比例系數可以選擇 （或比此值略小，以增加系統的穩定

裕度），再加入一小的積分環節以補償模型誤差和擾動即可。

3.2 網側變流器的并網電流控制

變流器網側電路的主要功能是穩定直流母線電壓和向電網輸送電能，還可偵測電網故障。

Freqcon 1.5 MW變流器采用三相四線并網逆變器，三相電流控制獨立，其逆變器狀態模型為：

. （7）

式（7）中：Ua，Ub和Uc分別為三相電網電壓；ia，ib和ic為逆變器三相電感電流；Sa，Sb和Sc分別為三相橋臂的開關函數。

當某相逆變器的上橋臂導通時， ，逆變器并網電流增

大；反之，當某相逆變器的下橋臂導通時， ，逆變器并網

電流減小。需要注意的是，任何一相橋臂的上、下開關管無法同時導通時，會造成直流母線短路。在實際控制中，會在上、下橋臂驅動信號中添加死區，在死區時間內，上、下橋臂均為關斷狀態。此時，電流通過IGBT反向并聯二極管續流。

與Boost電流控制模型相同，當開關周期足夠短時，可得到的逆變器平均電流模型為：

. （8）

式（8）中：dia，dib和dic分別為第i相橋臂上管的導通占空比。

與Boost電流控制相同，各相電流與占空比（di-0.5）為簡單的線性積分關系，通過簡單的PI控制器即可有效控制逆變器并網電流。

變流器目前使用模擬變流板，對并網電流的控制回路依靠

電網電壓的前饋控制。令占空比前饋分量 ，則上

述平均電流模型可變換為：

. （9）

綜上所述，增加前饋控制回路后，新的平均電流模型與電網電壓無關，從而消除了電網電壓擾動對并網電流控制的影響。

4 結束語

本文提出了一種分開控制電機側變流器與電網側變流器的控制策略。在本策略中，電機側采用被動整流+Boost升壓電路的架構，這樣可簡化電機側的控制。當風機處于額定風速以下時，可很好地通過控制發電機轉速獲取最大風能和穩定直流側電壓；當風機處于額定風速以上時，控制葉片的角度可保持機組在額定功率范圍內運行。此外，該系統在電網側可保持網側功率因數運行，具有較好的動、靜態性能。

參考文獻

[1]肖磊.直驅型永磁風力發電系統低電壓穿越技術研究[D].長沙：湖南大學，2009.

〔編輯：張思楠〕