基于背靠背PWM變流器的風機控制策略研究

董浩文 趙晏平 章心因 董知昊 陳兆藝

摘 要：選取基于背靠背雙PWM拓撲結構的永磁同步風力發電機，通過時間序列的跟蹤風速預測獲取最佳葉尖速比，以實現最大功率跟蹤。現首先采用SVPWM技術控制空間電壓矢量，使電機穩定運行，其次搭建相應控制模塊模型，最后通過仿真軟件，驗證模型相關性能。

關鍵詞：背靠背PWM;最佳葉尖速比法;SVPWM;仿真建模

0 引言

隨著清潔能源的普及，風能已成為電力系統內不可或缺的一部分，如今常用的風力發電機有永磁同步風力發電機，其機組并網問題較為復雜，若直接并網，風機發出的交流電性能不穩定，其頻率和幅值會實時變化，可能會對電網產生瞬間沖擊電流;若電網電壓降低或抬升，也會影響同步發電機定子側電流，造成風電機組運行不穩定，進而影響并網。因此，應用全功率變流器將電網和風力機組隔離，使網側逆變器發出的電流頻率和幅值與電網同頻同相。

1 變流器拓撲結構

如今常用的變流器結構有兩種：（1）機側不控整流器+boost升壓斬波電路+網側PWM逆變器;（2）雙PWM控制的功率變換器。

對于（1）而言，因采用不控整流器，故輸出為非線性直流，其具有很大的諧波，部分能量由諧波分散，進而使直流電壓低于期望值，必須加入boost升壓電路和斬波電路將電壓抬升至可逆變并網的直流母線電壓并在一定程度上消除諧波，但該變流器結構諧波仍然很大，且不具備四象限運行能力。因此選擇具有恒定輸出直流母線電壓并能夠通過調節交直軸電流進而調節電磁轉矩的背靠背PWM變流器[1]進行建模。

2 變流器控制策略

2.1 ? ?最大功率跟蹤策略

對風機而言，一定的槳距角對應一定的風能利用系數曲線，有如下關系：

式中：Pω為風機輸出機械功率;ρ為空氣密度;A為槳葉受風面積;Vω為風速;Cp為風能利用系數;λ為葉尖速比;β為槳距角;λi為中間變量;ωω為風機轉速;R為風機葉輪半徑。

由公式可以看出，風能利用系數直接決定著風機輸出的機械功率，且在恒定功率的情況下，槳距角越大，風能利用系數越低。因此，當功率低于額定功率時，可以通過調節勵磁來調節轉矩進而調節輸出功率，實現最大風能跟蹤;而當功率高于額定功率時，可以適當增大槳距角使功率穩定在額定功率處，在風能利用系數曲線中記式（5），風能利用系數曲線如圖1所示。

即在最佳葉尖速比λopt時具有最大風能利用系數，因此為使風機工作在最大功率處，采用最佳葉尖速比法，其控制原理如圖2所示。

由圖可知，為了使得λ維持在λopt處，要引入控制原理中的負反饋，根據風速，實時調整風機轉速，使其比值與參考葉尖速比相比較，而此處必須要預先知道風速，故引入常用的時間序列預測方法，構建SARIMA（p，d，q）（P，D，Q）的含季節成分時間序列預測模型：

2.2 ? ?空間電壓矢量PWM控制技術

為了使同步發電機轉子穩定轉動，需控制發電機定子感應磁場矢量以恒定速度旋轉，且大小不變，而磁場由電流產生（F=Ni），因此需要控制電流矢量大小不變，且在空間勻速旋轉。由此引出SVPWM技術，其中，六拍逆變器如圖3所示。

由此可知，要控制電壓向量為圓形旋轉向量，而上圖的六拍逆變器只能控制其為六個基本矢量，因此采用SVPWM，其原理為任意一個矢量均可以由其所在扇區的兩條矢量合成，相應電壓空間矢量六邊形如圖4所示。

因此，可以不斷變換開關，使電壓矢量形成一個圓形旋轉向量，而工作頻率越高，交流電動機的磁通就越接近圓形，其SVPWM控制模塊分為扇區判斷、時間計算、時間配合和脈沖產生四個模塊，搭建的MATLAB/Simulink模型如圖5所示。

3 控制策略仿真分析

在MATLAB/Simulink[2]中搭建背靠背PWM變流器的風機模型，設置初始參數定子相電阻為0.009 Ω，電樞電感為0.000 75 H，轉矩常數為1.6，轉動慣量為0.032 kg·m2，粘性阻尼為0.000 6 N·m·s，極對數為三對極，由于風速實時變化，故以階躍風速為例進行仿真分析，初始風速為11 m/s，在1 s時變為18 m/s。

若電網電壓矢量固定于d軸，則d軸為電流有功分量，q軸為電流無功分量，開始約為0.3 s，q軸電流達到穩定，當1 s風速突變時，相應的電流無功分量也相應改變，而后達到穩定，但d軸有功分量一直都維持在0左右，表明本文實現了有功和無功的解耦控制，交軸電流仿真結果如圖6所示。

同時，在1 s時三相交流電流對風速及時作出反應，相應調整三相交流電流大小，表明電機可以及時對風速變化作出反應，仿真結果如圖7所示。

在仿真過程中的直流母線電壓基本恒定，符合背靠背同步風力發電機整流逆變要求，仿真效果良好，如圖8所示。

4 結語

永磁直驅同步風力發電機并網是一個復雜的過程，本文僅從雙PWM結構中的控制策略方面進行了相應的分析和仿真，現實并網還有許多問題亟待解決。

[參考文獻]

[1] 章心因.變速永磁同步風力發電系統交直流并網低電壓穿越技術研究[D].南京：東南大學，2016.

[2] 常波.基于Matlab/Simulink的直驅式永磁風力發電系統的建模與仿真[D].南京：南京理工大學，2012.

收稿日期：2020-11-11

作者簡介：董浩文（2000—），男，江蘇揚州人，研究方向：電力系統分析。