兆瓦級永磁直驅式三電平風電系統網側控制的研究

高紅巖　汪雅蕓

摘要：針對兆瓦級永磁直驅風電系統，本文采用三電平二極管箝位型變流器作為網側變換器，帶解耦控制器的電壓定向的控制策略。建立了永磁直驅風電網側的數學模型，分析了電壓定向控制的機理，實現了穩定直流側電壓，向電網提供高質量的電能；通過Matlab軟件進行了仿真分析，驗證了該系統符合兆瓦級永磁直驅風電并網的要求。

關鍵詞：永磁直驅風電；三電平二極管箝位型變流器；電壓定向的控制

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2017）12-0090-01

Abstract： This paper focuses on the grid-side converter and the grid voltage oriented control of which is used for the MW-level direct-drive permanent-magnet wind power system. A diode-clamped three-level converter was used as the grid-side converter. The grid voltage oriented control is elaborated. Simulation model is built with Matlab. It can achieve the DC side voltage maintains steady well. High-quality electricity is fed into the grid.

Key words： direct-drive permanent-magnet wind power system； diode-clamped three-level converter； voltage oriented control

引言

風電技術發展迅速，永磁直驅型風電系統省掉了齒輪箱、電勵磁裝置，可靠性和效率大大提高 [1]。為了使直驅風電系統向電網輸入高品質電能，多電平變換器因其輸出電壓等級高、諧波含量少更接近正弦波被廣泛關注[2]。本文采用二極管箝位型三電平變流器作為兆瓦級永磁直驅風電系統的網側變流器。二極管箝位型三相三電平變流器簡稱為三電平變流器?？刂撇呗陨喜捎秒妷憾ㄏ蚩刂?，實現永磁直驅風電系統的直流母線電壓穩定、向電網輸送諧波含量少的高品質電能，通過Matlab仿真驗證了理論和控制策略的正確性。

1 網側的結構和數學模型

永磁直驅三電平風電的拓撲結構如圖1所示。為了分析簡便，假設：電力電子器件均為理想的器件，把永磁直驅風電機側等效為電阻和受控電流源串聯結構[3]。

直流母線電壓為E，兩個直流母線電容串聯分壓，每個電容的電壓為E/2。當 A相的開關器件Sa1、Sa2 閉合，輸出電壓uAO為E/2；當Sa2、Sa3 閉合，輸出電壓為0；當Sa3、Sa4 閉合，輸出電壓為-E/2。B相和C相也是如此，所以三相輸出電壓uAO、uBO、 uCO為三電平E/2、0、-E/2。輸出線電壓由uAB=uAO—uBO得到為五電平E、E/2、0、-E/2、-E。

根據圖1可知，電網電壓的方程經過abc三相靜止坐標系變換成dq同步旋轉坐標系后，得到交流側輸出電壓在dq軸坐標系下的數學模型為：

其中，idg、iqg為交流側電流d、q軸分量；udg、uqg為電網電壓d、q軸分量； udi、uqi為變流器輸出電壓d、q軸分量；ωg為同步坐標系下的旋轉角速度。

2 網側的控制策略

控制策略采用帶有解耦控制器的電壓定向控制。電網電壓定向控制是將三相電網電壓uga、ugb、ugc通過abc/ dq變換為 udg、uqg，并且令udg=vg，uqg=0，其中：vg為電網電壓的幅值，則實現了電網電壓的定向控制。

采用PI控制器調節電流和電壓，在前饋解耦控制下，交流側輸出電壓的表達式變為：

其中：（k1+k2/S）為PI控制器傳遞函數； idg*、iqg*為電網d、q軸電流分量參考值。

3 仿真分析

利用Matlab搭建網側控制的模型。受控電流源在0s到0.4s設定為1000A， 在0.4s到0.6s設定為500A，直流側參考電壓設定為1050V。

圖2為直流側電壓值，直流側參考電壓值為1050V，在PI調節器調節電壓下，0.06s時直流側電壓穩定到參考電壓值1050V。

圖3為輸入到電網中的三相電流，0.06s時波形趨于穩定， 三相波形平滑穩定，接近正弦波，0.06s至0.4s電流的幅值為1700V，在0.4s至0.6s電流的幅值變為1000V。

4 結論

本文在理論上分析了永磁直驅三電平風電網側結構的數學模型，采用帶解耦控制器的電壓定向控制策略，并利用Matlab仿真分析，驗證了采用三電平變換器輸出電平數多諧波含量少，帶解耦控制器的電壓定向控制策略能夠穩定直流側電壓、輸入到電網的電能更接近正弦波。

參考文獻

[1]張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業出版社，2012：228-230.

[2]李暉，王丹，李庚銀.永磁直驅風電系統網側換流器混合控制策略研究[J]. 電力建設，2017，38（6）：133-139.

[3]郭瑾，王雷.永磁直驅變速恒頻風電系統并網逆變器研究[J]. 電力電子技術，2017，51（10）：24-26.

注：武漢鐵路職業技術學院校級課題，課題編號：Y2016025