MP-MMC驅動六相永磁風力發電機建模及控制研究

周荔丹 李杏 姚鋼 梅柏杉

Abstract：The mathematical model of six phase permanent magnetic synchronous generator （PMSG） with winding shifted-phase 30° was established under rotating coordinate based on the vector space decomposition theory. For the control of the multi-phase modular multilevel converter（MP-MMC） to drive the multi-phase generator， the MMC topology was extended from three phase to six phase and used to drive six phase permanent magnet wind power generator. And the current decoupling control method was adopted for base-frequency current tracing and harmonics suppressing. The close-loop control strategy was taken for the MMC internal sub-module capacitor voltage balance and the cycle current restraining. Finally， the simulation model was built under the conditions of steady state and power disturbance. The simulation results show that the system meets concerning standard and its robust performance is good. And they verify that six phase PMSG can generate electricity efficiently by MP-MMC driving.

Keywords：six phase permanent magnet synchronous generator; modular multilevel converter; vector space decouple; vector control; close-loop control

0 引 言

隨著陸上風電場規模趨于飽和，海上風電由于其資源豐富、對環境影響小、利用率高等優點，已成為新能源發電的主要方式之一，發展遠距離大規模化的風電場，實現大功率發電機組高壓直流并網成為現階段研究熱點[1-3]。為了滿足大規模海上風力發電的需求，風力發電機組的單機容量和整流變換器功率等級顯著提升，電機由傳統的三相電機逐步向多相電機方向發展，變流器由普通的兩電平、三電平向更高電平方向發展[4]。大容量、高功率密度風力發電機的高效發電以及大功率變流器高效變換等關鍵問題的深入研究對超大規模海上風電場的發展具有重要的意義。

與三相發電機相比，多相發電機具有轉動脈矩小、功率密度高、輸出功率大、容錯性能良好等優點[5-6]，已成為未來海上風力發電機的主要選擇之一。對多相電機的研究，較為廣泛的是雙Y移30°六相永磁同步電機，此結構與對稱六相永磁同步電機相比電流中不含5次和7次諧波。多相電機的建模主要依據兩類方法：第一類是基于d-q解耦方法;第二類是基于矢量空間解耦方法[7]。文獻[8-9]將六相永磁同步電機的六相繞組分別看成兩套三相繞組，把六相電機分解成兩個三相電機進行分別控制，建立了雙d-q數學模型，但該模型忽略了兩套電機之間耦合和差異，在兩套繞組dq磁鏈間仍存在著耦合關系[10]，在此基礎上，文獻[11]對建立的雙d-q電機模型進行了電流補償控制，將電流控制器的輸出和補償量進行加和作為參考電壓，實現了兩套繞組間電流的獨立控制。上述文獻中采用的雙d-q模型可適用于3整數倍相電機。文獻[10，12]基于矢量空間解耦理論，采用推廣的Clark變換和Park變換建立了Y移30°的六相永磁同步電機解耦模型，實現了電流及電壓解耦，但在控制中未消除電網電壓擾動和dq軸間的電流耦合。此外，文獻[13]對凸極式六相雙Y移30°永磁同步電機進行多維矢量建模，提出了一種諧波電流最優化的控制方法。

模塊化多電平變流器（modular multilevel converter，MMC）作為一種多電平電壓源型拓撲，具有輸出諧波含量少、控制靈活、易實現低壓交流到高壓直流轉換等優點，因其結構高度模塊化，可方便實現電壓和功率等級的擴展[14]，在多電平變流器發展中研究較為廣泛，已經成為大功率海上直流輸電系統換流站的首選之一[15-16]。文獻[17]提出了采用MMC驅動飛輪儲能系統中的六相感應電機，為MMC在多相電機中的應用提供了可行性依據，并指出采用的MMC拓撲結構，在海上風電大功率、高壓直流并網系統直流側發生低電壓穿越時有較好的應用前景。文獻[18]提出了九橋臂MMC拓撲結構，作為中壓6相感應電機發電、整流系統，該方案相比正常12橋臂系統，減少25%的功率器件，有效降低系統的復雜性和成本。

現階段多相模塊化多電平變流器（multiphase modular multilevel converter，MP-MMC）驅動多相電機系統仍處于前沿階段，僅文獻[17-18]在感應電機中有所涉及，在多相永磁同步電機中的應用尚處于空白。本文采用矢量空間解耦的方法建立Y移30°六相永磁同步發電機解耦數學模型和六相MMC驅動系統的數學模型，并采用載波移相調制技術和電流矢量控制策略對機側變流器進行控制，實現電機電壓電流穩定輸出和MMC子模塊電容電壓平衡。最后通過仿真對模型和控制策略的有效性進行驗證。

1 系統模型建立

圖1為六相永磁同步發電機（permanent magnet synchronous generator，PMSG）經MMC整流并匯入直流網系統。其中，MMC子模塊采用半橋結構，每相上下橋臂各有N個子模塊，C0為子模塊直流側電容，L為橋臂電感，C為公共直流側電容。

1.1 六相發電機數學建模

采用中性點不隔離的雙Y移30°結構的六相永磁同步發電機如圖2所示。

4 結 論

本文對多相PMSG及MP-MMC驅動建模及控制進行了研究，建立了Y移30°六相永磁同步電機風力發電經MP-MMC直流并網的系統模型，并采用載波移相調制技術和電流矢量控制策略對系統進行控制。最后在Matlab/SIMULINK中進行仿真，驗證模型的有效性。本文的研究表明：所采用的矢量控制策略具有結構簡單、控制效果良好等優點，當發電機輸入轉矩發生階躍突變時，系統能夠較快地達到新的穩定狀態，有較好的魯棒性;也進一步驗證了MP-MMC驅動六相永磁風力發電機并直流并網的可行性，為實現海上大功率風力發電高壓直流并網研究提供一種可行方案。但本文的研究還只限于基礎研究，未來將對發電機在單相缺相、多相缺相等復雜工況下，PMSG-MMC系統容錯運行進行深入研究，以完善MP-MMC在多相電機應用中的理論。

參 考 文 獻：

[1] HOLTSMARK N， BAHIRAT H J， MOLINAS M， et al. An all-DC offshore wind farm with series-connected turbines： an alternative to the classical parallel AC model [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 60（6）： 2420.

[2] 王常騏， 郭家虎. 風電場直流并網的拓撲結構研究[J].電網技術， 2014， 38（11）： 3065.

WANG Changqi， GUO Jiahu. Research on topological structures for DC grid-connection of wind farm [J]. Power System Technology， 2014， 38（11）： 3065.

[3] 江道灼， 谷泓杰， 尹瑞，等. 海上直流風電場研究現狀及發展前景[J]. 電網技術， 2015， 39（9）： 2424.

JIANG Daozhuo， GU Hongjie， YIN Rui， et al. Research status and development prospects of offshore wind farms with pure DC systems [J]. Power System Technology， 2015， 39（9）： 2424.

[4] 鄧孝祥， 戴超凡. 5 MW中壓直驅風電變流器控制系統設計[J]. 哈爾濱理工大學學報， 2018， 23（6）： 70.

DENG Xiaoxiang， DAI Chaofan. Design of control system for 5 MW medium voltage direct-driven wind power converter [J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2018， 23（6）： 70.

[5] 高宏偉， 楊貴杰， 劉劍，等. 三次諧波注入式五相永磁同步電機氣隙磁勢分析[J]. 電機與控制學報， 2013， 17（10）： 1.

GAO Hongwei， YANG Guijie， LIU Jian， et al. Air-gap MMF analysis for five-phase PMSM with third harmonic injection [J]. Electric Machines and Control， 2013， 17（10）： 1.

[6] MEKRI F， BENELGHALI S， BENBOUZID M. Fault-tolerant control performance comparison of three-phase and five-phase PMSG for marine current turbine applications[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy， 2013， 4（2）： 425.

[7] 姚鋼， 殷志柱， 周荔丹，等. 六相永磁同步發電機的容錯控制[J]. 電機與控制學報， 2018， 22（5）： 2.

YAO Gang， YIN Zhizhu， ZHOU Lidan， et al. Fault-tolerant control of six-phase permanent magnet synchronous generator [J]. Electric Machines and Control， 2018， 22（5）： 2.

[8] KARTTUNEN J， KALLIO S， PELTONIEMI P， et al. Dual three-phase permanent magnet synchronous machine supplied by two independent voltage source inverters[C]// International Symposium on Power Electronics， Electrical Drives， Automation and Motion， June 20-22， 2012， Sorrento， Italy. 2012： 741-747.