永磁同步風力發電系統機側PWM控制研究

劉蔚釗 丁猛 張中輝

摘要：針對永磁同步風力發電系統機側PWM控制算法進行了研究。介紹了永磁同步風力發電系統的基本組成和原理，比較了不控整流和PWM控制整流的區別。根據矢量控制原理，提出了在永磁風力發電系統中采用全功率變流器對機側進行控制的有效策略，并設計了一套2 kW的永磁同步風力發電平臺進行實驗，通過實驗結果驗證了控制算法的正確性和可行性。

關鍵詞：永磁同步風力發電;PWM整流;矢量控制

0 ? ?引言

隨著全球化進程的不斷推進，近年來全球經濟規模快速增長，然而隨之而來的日趨嚴重的環境保護及資源短缺等問題卻時刻提醒著人們：解決能源再生利用與可持續發展等問題已刻不容緩。風力發電技術的快速發展使得使用風力發電代替傳統化石燃料發電的比例正逐步上升。現代風力發電中應用最為廣泛的是雙饋風力發電系統和永磁同步風力發電系統。雙饋風力發電系統的主要優點在于其變頻控制器的最大功率僅為風機總功率的30%左右，這就顯著降低了整個系統的成本;但其缺點在于風力發電機對所并電網的波動相對敏感，電網側電壓波動較大時，雙饋風力發電系統容易跳閘和脫網。而永磁同步發電系統因為與所并電網是相對隔離的，永磁同步發電機所受沖擊很小，壽命較長，故障率相對較低，特別是整個系統對電壓波動不甚敏感，可不增加其他輔助設備就實現低電壓穿越功能，可以說是電網友好型風機，隨著可控硅部件成本的同步降低，永磁同步風力發電系統會逐步主導今后風力發電的發展趨勢。

1 ? ?永磁同步風力發電系統結構

永磁同步風力發電系統一般都有風輪、永磁同步發電機、機側PWM控制器、網側PWM控制器、控制系統等組成部分，圖1為永磁同步發電系統拓撲結構圖。

永磁風力發電機發出電的頻率和電壓隨風速的改變而時刻變化，所以須將這部分變頻變壓的電能變換為恒頻恒壓的電能才可以連接電網，先經過AC/DC變換，然后再經過DC/AC變換[1]。目前，主要差別在AC/DC的控制上，AC/DC控制有以下兩種典型的方式：不控整流結合Boost控制和PWM整流器控制。

1.1 ? ?不控整流結合Boost變換器控制工作原理

如圖2所示，風力發電機發出的交流電，直接經過二極管構成的三相整流橋變成直流電，發電機的轉速與負載的大小影響整流電壓的大小，通過Boost變換電路校正輸入端功率因數，提高PWSG的運行效率，還能使直流母線上的電壓保持恒定，進行最大功率點的跟蹤，再通過逆變器的控制完成系統并網。

不控整流結合Boost變換器控制的永磁風力發電系統的優點是電路結構和控制思路簡單，無需位置、速度傳感器，成本較低，只需少量電流和電壓傳感器即可實現最大功率跟蹤（MPPT）;缺點是MPPT的效果較差，電網低電壓故障穿越能力不足，復雜風況時控制效果不理想。該控制方式常用于容量較小的風力發電系統或對發電效率和控制效果要求較低的大容量風力發電系統。

1.2 ? ?PWM變換器控制整流的永磁風力發電系統工作原理

隨著永磁同步風力發電機的單機容量逐步擴大，系統中變流器的電壓、電流等級也在逐步提升，因此使用全功率變流器拓撲的永磁風力發電系統受到了更加廣泛的關注。如圖3所示，全功率變流器采用兩個結構上完全相同的PWM控制器構成，其中機側PWM控制器用于整流，網側PWM控制器用于逆變。機側PWM控制器的作用是調節永磁同步發電機輸出的電磁轉矩，控制永磁同步風力發電機的定子電流呈正弦波，實現轉速和功率因數調節，從而使得風力發電機的工況能夠滿足MPPT的要求。

機側PWM控制器除了可以控制永磁同步發電機的電磁轉矩，還能依據多種控制算法，綜合優化永磁同步發電機的耗損、容量利用效率及相應速率等評價因素，以提高整個系統的性能。較不控整流結合Boost控制方式，PWM變換器控制整流的最大功率跟蹤效果更好，但成本較高。

2 ? ?永磁同步風力發電系統模型

永磁同步發電機在三相靜止坐標系里的數學模型是一個多變量的復雜系統，為了便于理論研究，一般會將abc三相靜止坐標系下的永磁電機方程轉換到兩相同步旋轉的dq坐標系下，并且我們進行如下假設：

（1）忽略發電機磁飽和線性;

（2）認為磁路線性;

（3）認為永磁體的磁場沿氣隙周圍正弦分布;

（4）忽略磁滯和渦流效應;

（5）定子繞組三相對稱，在空間上互為120°相位角。

采用dq同步旋轉坐標，q軸超前d軸90°，定義發電機吸收有功功率為正方向，建立永磁同步發電機數學模型。

定子電壓方程為：

uds=Rsids

+-ω1ψqs

uqs=Rsiqs

+-ω1ψds ? ? ? （1）

定子磁鏈方程為：

ψds=Ldids+ψf

ψqs=Lqiqs ? ? ? ?（2）

電磁轉矩方程為：

Te=pn（ψdsiqs-ψqsids） ? ? （3）

式中：uds、uqs為定子上電壓d軸、q軸分量;ids、iqs為定子上電流d軸、q軸分量，并以電動機方向為正方向;Ld、Lq為d軸、q軸同步電感，認為恒定;ψds、ψqs為定子磁鏈的d軸、q軸分量;ψf為轉子磁鏈，認為恒定;Te為電磁轉矩;pn為極對數。

聯立式（1）（2）可得永磁同步發電機電壓方程：

uqs=Rsiqs+Lq

+ω1Ldids+ω1ψf

uds=Rsids+Ld

-ω1Lqiqs ? ?（4）

再結合式（2）（3）可得電磁轉矩方程：

Te=pn[ψfiqs+（Ld-Lq）idsiqs] ?（5）

由以上公式可知，電磁轉矩Te與ids、iqs是相關的，若能使得d軸的ids=0，讓定子電流合成矢量完全落在q軸，則Te可以轉化為：

Te=pnψfiqs ? ? （6）

3 ? ?永磁同步風電系統機側控制策略

當d軸定向于轉子磁極之后，若能使得d軸ids=0，則電機的Te大小與定子iqs正相關，也就是說PWSG的電磁轉矩就可以由q軸電流決定[2]。因此，該系統使用雙閉環控制策略，其中內環采用d軸ids控制，其目的是控制d軸ids為0，外環采用速度控制，目的是使風機轉速跟隨參考目標角速度ω1*。控制策略如圖4所示。

發電機輸出的電流經過變換，在d、q軸的坐標系中變換為d軸、q軸的直流電流ids、iqs。發電機轉速跟蹤參考目標轉速ω1*可以由實時風速和風力發電機最佳功率的函數算出。目標角速度ω1*和風機實際角速度ω1經過PI控制器可以得到目標電流iqs*，iqs*與實際q軸直流電流分量iqs相比較并利用電壓前饋補償得到電壓Uqs。根據前文所述，d軸電流的目標值ids*設為0，與實際d軸直流電流分量ids相比較并利用電壓前饋補償得到電壓Uds。Uqs和Uds經過Park逆變換得到Uα和Uβ，利用SVPWM電壓控件矢量調制方法控制三相全橋整流橋。

4 ? ?實驗驗證

為進一步檢驗理論計算結果的準確性，本課題設計了一套永磁同步風電系統，在實驗室環境下，通過矢量變頻器控制三相異步電機運行，對拖永磁同步風力發電機轉動，通過改變風機電流實現轉矩控制，以此進行風力發電，并將產生的電能全部接入市電系統。實驗系統結構如圖5所示。

系統中電拖部分變頻器采用ABBACS550系列矢量變頻器，由風速控制軟件控制，模擬真實情況下的可變風速。三相異步電機的標稱功率為2 200 W，額定轉速為1 450 r/min;永磁風力發電機的磁極對數是2對，定子相電阻為0.55 Ω，額定功率2 kW，轉動慣量為2.77×10-3 kg·m2，d軸電感為Ld=

2.3 mH，q軸電感為Lq=6.1 mH，額定電流為9.5 A。其中機側PWM控制器采用三菱IPM模塊PM50RL1A120作為功率元件，耐壓值1 200 V，電流50 A，由德州儀器的TMS320-

F28335 DSP芯片驅動。風力發電機的轉速由連在風力發電機輸出軸上的編碼器進行采樣并反饋至機側PWM控制器。

永磁同步風電實驗系統實物圖片如圖6所示。

永磁同步風電實驗系統在運行過程中，風速設置為從8 m/s逐步提高到10 m/s，此時定子A相的電流和電壓幅值都會增大，外部風速變化，有功功率也會相應地變化，系統有較好的響應速率，且能很快穩定，如圖7所示。

5 ? ?結語

本文基于永磁同步風力發電機的相關特性，提出了一種適用于機側PWM控制器的控制策略，該策略將機側控制通過坐標變換進行簡化，設定與永磁同步風力發電機電磁轉矩無關的電流d軸分量為0，采用雙閉環計算電流q軸分量，從而控制發電機組的有功和無功功率。最后，設計并試制了一套2 kW的永磁同步風電實驗系統，在實驗室環境下，結合軟件算法利用矢量變頻器仿真風速變化對拖永磁同步風力發電機旋轉發電，機側PWM變換器根據發電機轉子的轉速和定子電流對輸出電能的有功和無功進行控制。實驗結果表明，永磁同步風電實驗系統機側PWM控制策略穩定，達到了預期效果。

[參考文獻]

[1] 潘文霞.風力發電與并網技術[M].北京：中國水利水電出版社，2017.

[2] 裴家祥，陳雪松，于兵.一種永磁同步風力發電機模型及其控制策略[J].電氣工程，2015，3（2）：43-49.

收稿日期：2020-07-31

作者簡介：劉蔚釗（1988—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：新能源發電控制。