永磁風力發電機直流并聯及直流升壓的仿真研究

王銀濤，何　山，王維慶，王江濤

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊　830049；2.可再生能源發電與并網技術教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊　830049；3.北京三興汽車有限公司，北京　100070)

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永磁風力發電機直流并聯及直流升壓的仿真研究

王銀濤1,2，何山1,2，王維慶1,2，王江濤3

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊830049；2.可再生能源發電與并網技術教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊830049；3.北京三興汽車有限公司，北京100070)

針對分散式小型風力發電場，實現永磁風電機組直流并聯，提出了永磁風力發電機PWM整流器直流側并聯的結構。為了能使小型風電場，就近接入大型風電場或者并入電網時，降低傳輸過程中輸電損耗的目的，采用了DC-DC升壓組將直流母線電壓升高的拓撲結構。為能夠有效地實現發電機的并、切網，設計了對發電機輸出電壓瞬時采樣，來判斷發電機整流器側是否連接到直流母線的斷路器模型。基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建了含3臺永磁風力發電機、整流器、斷路器和DC-DC升壓組的仿真模型，對永磁風力發電機在不同風速下的直流并聯與升壓進行了仿真分析。仿真結果表明，在理想狀態下，該模型可實現不同風速下風力發電機的直流并聯與升壓。

永磁直驅風力發電機；PWM整流器；直流母線；并聯；直流升壓

0　引　言

中國陸地風力資源豐富，風能作為一種潔凈可再生能源，在石油和煤日趨枯竭的情況下，必將在未來取代傳統能源，在能源結構和環保方面起重要作用。國內使用的風力發電機主要有雙饋和直驅永磁發電機，而直驅永磁風力發電機較雙饋機具有變速運行、變槳距調節、低轉速、高效率和高功率因數等優點。此外，直驅永磁風力發電機并網運行時，無需從電網中吸收無功功率建立磁場，可以改善電網的功率因數[1-2]，已經成為當今風力發電機研發的熱點。

目前，常見的風電傳輸是通過每臺風力發電機連接變流器產生恒頻的電能，就近接入交流電網，進行交流輸電，但風力發電具有較大的隨機性和波動性，交流并聯在風機切、并網時，對電網穩定運行有較大的影響[3-4]。此外，還有一種方式是把大規模風力發電接到換流站上進行高壓直流輸電[4-7]，此種方法的優點是可以進行超長距離傳輸，但是換流站的造價過于昂貴。

以上文獻均是風力發電并網和輸電的主要方式，都有其自身的缺陷。目前文獻中研究風力發電機直流并聯的情況，大多采用不同風力發電機同風速的情況進行仿真[8]。下面以1.5 MW 直驅永磁風力發電機為例，提出3臺風力發電機在不同風速下，用整流器和直流升壓斬波電路組進行直流并聯和直流升壓的結構，并在Matlab/Simulink仿真平臺上進行了仿真。表1為1.5 MW直驅永磁發電機的基本參數。

表1　直驅永磁風力發電機基本參數

1　多機直流并聯及DC-DC升壓數學模型

1.1系統結構框圖

圖1　風力發電機組及DC-DC組結構簡圖

所提出的風力發電機直流并聯及直流升壓仿真系統，主要包括永磁直驅風力發電機組、整流器和DC-DC升壓組，其基本結構如圖1所示。由圖1可知，直驅永磁風力發電機發出電能，通過PWM整流器整流，并對直驅永磁風力發電機的電壓進行測量，當符合條件時PWM整流器的直流端并入直流母線，并且通過DC-DC升壓組進行直流升壓。

此種結構的優點在于：

1)風力發電機交流轉換成直流進行并聯，無需考慮風力發電機交-直-交后恒頻的問題。

2)斷路器判斷系統采用的是對直驅永磁發電機的電壓進行有效值采集。當發電機發出的交流電壓有效值達到一定范圍則斷路器閉合；當不符合斷路器閉合條件時，自動斷開，這樣可以縮短電壓穩定的時間，使系統盡快穩定。

3)DC-DC升壓斬波電路組相對于換流站而言雖然輸電距離較短，但是造價低，比較適用于小型風力發電場短距離直流輸電。

1.2風力發電機風速-電壓曲線

對于發電機有公式(1)：

(1)

式中：n為風力發電機轉速；f為頻率；p為極對數；N為匝數；φ為磁通；λ為葉尖速比；R為葉尖半徑；w為角速度；v為風速。

由式(1)可以得到風力發電機輸出的電壓為

(2)

而風力發電機捕獲的風能為[8-10]

(3)

式中：Cp(β,r)為風能利用系數，是槳距角β和葉尖速比λ的函數；ρ為空氣密度。

通過式(2)和式(3)對比得

(4)

當風力發電機槳距角一定時，通過式(4)對比，由風力發電機最優功率曲線可得到風力發電機的風速-電壓曲線，如圖2。

圖2　風力發電機的風速-電壓曲線

1.3斷路器的動作判據

根據風速-電壓曲線可知風機在風速3 m/s時開始輸出電壓，但是只有當電壓達到0.465 kV(風速6 m/s)時，才能并入直流母線，而且當達到0.76 kV(風速25 m/s)時，為了保護設備必須把風機切除。

由于風力發電機的整流器并聯到直流母線上時，直流側電壓恒定；當風力發電機的風速不符合并網條件時，為了能夠有效地將風力發電機切除，設計了對風力發電機輸出電壓瞬時采集作為動作判據的模型，根據情況對斷路器發出閉合或者斷開的信號。假定風力發電機輸出的三相電壓值相同，故只采取單相的電壓瞬時值，系統采樣時間t為0.000 1 s，并假定在每個采樣區間[t1,t2]里，風力發電機的輸出為正弦信號，其電壓采樣U的公式為

(5)

斷路器閉合和斷開信號的判斷公式為

(6)

即當斷路器Sn信號為1時斷路器閉合，風力發電機并入直流母線；而當斷路器信號為0時，風力發電機從直流母線上切除。

1.4PWM整流器數學模型及其控制策略

PWM整流器主要目標是控制變風速的風力機輸出恒定的直流電壓。因此，要實現恒定的直流電壓，就必須及時調整風力機的轉速大小，使其始終運行在最佳葉尖速比。

為了分析問題的方便，假設如下的條件：首先，忽略電容、電感的飽和，認為其是理想元件，忽略器件的損耗；其次，整流器IGBT的開關頻率遠遠大于交流電網的頻率[11]。風力發電機三相整流器拓撲如圖3所示。

圖3　三相整流器控制系統拓撲圖

將d軸定于轉子永磁體的磁鏈方向上，經過abc/dq0坐標變換之后。得到電機定子電壓方程為

(7)

式中：L和R分別為PMSG定子電感和電阻；ω為同步電角速度；φ為轉子永磁體磁鏈；iq、id與Ud、Uq分別為定子電流與電壓的d、q軸分量。

發電機的最佳有功功率給定值為

(8)

式中：PCu為銅損；PFe為鐵損；P0為風力機機械損耗。

如圖3所示，整流器控制系統采用雙閉環控制策略[12]。外環為功率環，其PI輸出量為q軸電流分量iq*，d軸電流分量id*設為0。內環為電流環，d、q軸PI輸出量加上耦合電壓ΔUd和ΔUq，得到d、q軸控制電壓分量Ud和Uq，再經abc/dq0變換后得到三相輸入電壓參考信號，最后通過脈沖發生器產生驅動信號去控制整流器開關管的開關狀態。

此種控制結構的優點在于：不但可以控制直流母線電壓恒定、交流側輸入電流實現正弦化和單位功率因數運行，而且還可以獲得更好的穩態性能和更快的動態響應速度。

1.5DC-DC直流升壓組模型

目前，風力發電直流傳輸大多采用換流站進行直流傳輸，優點是傳輸距離遠、損耗相對較小，但是造價過于昂貴，并不適用于離電網較遠的小型風力發電場的直流傳輸。

圖4　DC-DC斬波電路拓撲結構圖

于是提出了用DC-DC升壓組來代替換流站[13-14]，既達到了直流傳輸的目的，又節省了直流升壓過程中的造價成本。因為整流器是可控型，所以所設計的DC-DC組無需加PI控制即可達到要求的電壓，其拓撲結構圖如圖4所示。

2　系統仿真及分析

在Matlab/Simulink中搭建了1組3臺永磁風力發電機組、整流器、斷路器和升壓組模型，針對不同風機在不同風速下的整流電壓的輸出、風力發電機投切和DC-DC電壓的輸出情況進行仿真。系統主要參數如表2所示。

表2　仿真系統主要參數

根據風電場的實際情況，風速是變化的，并且每臺風力發電機所受到的風速也不相同，為便于仿真，每臺風力發電機不同時刻受到的風速如表3所示。

表3　不同時刻的風速(m/s)

根據表3中的不同時刻風速情況，并通過Simulink仿真得到3臺直驅風力發電機的整流器直流側輸出電壓結果如圖5所示，DC-DC升壓組電壓輸出如圖6所示。

圖5　3臺風力發電機整流圖

此次仿真中，當風速超過25 m/s時將風力發電機切出；當風速符合要求時，就迅速并網，以縮短穩定時間。

第1臺和第3臺風力發電機在0～1 s時，風速由0 m/s增至12 m/s和14 m/s，其整流電壓穩定值可達到1.8 kV，用于建立母線和DC-DC升壓組輸出電壓，并將此電壓值作為1～6 s穩定電壓參考值，由圖5(a)可知母線電壓穩定時間為1 s，由圖6可知DC-DC升壓組電壓穩定時間為1.5 s。

圖6　DC-DC升壓組電壓輸出圖

由圖5(a)和(b)中可以看出，當第2臺風機在第2 s時風速由4 m/s增為8 m/s，達到并入電網風速(6 m/s)條件，風機并入直流母線，引起直流母線電壓波動為-6%～3%，通過PWM整流器中積分調節環節，電壓穩定時間為0.5 s，而DC-DC輸出電壓的波動為-1%～3%，穩定時間為0.7 s。

由圖5(a)和(c)中可以看出，當第3臺風機在第4 s時風速由16 m/s增為25 m/s，達到了風機運行的極限風速(25 m/s)，為了保護設備必須把風機切除，風機切出，引起直流母線電壓的波動為-1%～2%，通過PWM整流器中積分調節，穩定時間0.5 s，引起DC-DC輸出電壓的波動為+2%，穩定時間0.6 s，風機切出后其所產生的能量由整流器直流側電阻消耗，電壓衰減時間為1.5 s。

由以上分析可知：切機和并網對直流母線電壓和DC-DC輸出電壓的影響基本相同，且在直流母線對電壓波動的要求范圍內。

對直流母線電壓進行FFT分析，如圖7所示。根據傅里葉級數分析，三相橋式全控整流電路直流側輸出電壓中主要含有6k(k=1、2、3…)次諧波，且6次諧波的幅值最大，這里直流母線電壓主要含6次、12次、18次諧波，且6次諧波的幅值最大。

DC-DC升壓組輸出電壓進行FFT分析如圖8所示。其電壓主要含20次、40次諧波，且20次諧波的幅值最大。由前面可知母線的電壓諧波次數為6、12和18，經過DC-DC升壓組其諧波幅值均降低了，說明DC-DC升壓組不僅有升壓的作用，還對諧波有抑制和濾波作用。

圖8　DC-DC升壓組諧波分析圖

3　結　論

分析了3臺直驅永磁風力發電機，在不同風速下直流并聯及DC-DC斬波電路組升壓的可行性，搭建基于雙閉環控制策略的PWM整流器的模型，并提出了兩組DC-DC直流升壓斬波電路串聯用于直流升壓的模型。仿真結果表明：

1)風力發電機直流并聯模塊仿真系統能夠實現3臺風力發電機在不同風速下的直流并聯；

2)切機相對并網引起直流母線和DC-DC升壓斬波電路組的電壓波動超調量要大，但二者調節時間基本相同；

3)DC-DC直流升壓斬波電路組可以實現升壓，且諧波的幅值相對于直流母線的諧波幅值有所減小。

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王銀濤(1990)，碩士研究生，研究方向為可再生能源及其控制技術；

何山(1974)，副教授、碩士生導師，研究方向為可再生能源及其控制技術；

王維慶(1959)，教授、博士生導師，從事電力系統及可再生能源的研究工作。

Aiming at the scattered small wind power fields which realize the DC parallel connection of direct-driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator (PMSG), the mathematical model is established that the connection of PWM rectifier of PMSG is parallel in DC side. In order to make small wind farm integrated with the nearest large wind farm or power grid and reduce the transmission loss in the process of more than ten kilometers far from the power grid, DC-DC chopper is used to rise the voltage of DC bus. In order to effectively realize the integration and cut off of generators, the instantaneous sampling of output voltage of wind turbine generator is designed to judge whether the rectifier side of wind turbine generator is connected to the short-circuit model of DC bus or not. Based on Matlab/Simulink simulation platform, the simulation model including three direct-driven wind turbines with PMSG, rectifier, circuit breaker and DC-DC boost group is established, and the simulation of DC in parallel and DC-DC boost under different wind speeds is analyzed. The simulation results show that the proposed model can realize DC in parallel and DC-DC boost of wind turbine generator under different wind speeds in the ideal condition.

direct-driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator (PMSG); PWM rectifier; DC bus; parallel; DC-DC boost

國家自然科學基金項目(51267017，51367015)；高等學校博士學科點專項科研基金新教師類資助課題(20136501120003)；教育部創新團隊(IRT1285)

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1003-6954(2016)04-0001-05

2016-06-04)