永磁直驅風電機組網側PWM變流器的建模與仿真

國網浙江省電力有限公司臺州供電公司 曾誠實 張慧杰

電力電子變流器是風電機組系統的關鍵設備之一。隨著電力電子器件技術的發展，電力電子變流器在改善風電機組系統性能方面具備了巨大的發揮空間。背靠背PWM變流器作為目前主流的三相變流器，由于它在某種程度上能實現了電網與風電系統之間的解耦，并能獨立調節有功和無功功率，在風電系統中的應用也愈發廣泛。

本文主要研究了永磁直驅風電機組背靠背PWM變流器的基本結構，推導了變流器的數學模型，并設計網側變流器的控制方案。通過調節背靠背變流器的直流側電壓，實現了風電機組發出的有功功率向電網的及時有效傳輸；通過控制網側變流器的無功電流分量，實現對無功功率的解耦獨立調節。通過在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，根據仿真結果驗證了該系統模型的正確性和控制策略的有效性。

1 背靠背變流器的拓撲結構

背靠背變流器與發電機側相連的變流器通常被稱作機側變流器；而與電網側相連的一般稱作網側變流器。一個帶電容裝置的直流母線將兩個變流器連在一起。中間的電容具有電磁隔離作用，保證兩側的變流器能夠分別控制而不會出現干擾耦合狀況。

從控制系統的要求來說，變流器應具有雙向傳送及四個象限的控制能力。雙向的意思是功率能夠往任何一邊傳送，它的能量既可以從發電機側往電網側傳送，又可以從電網側向發電機側反向傳送。而四象限指變流器能夠運行在正負電阻及純電容和純電感這四個象限。

圖1 網側PWM變流器結構圖

2 網側PWM變流器的數學模型

式(3)即為網側PWM變流器的在abc坐標中的數學模型，可見在電網電壓給定后，通過控制開關函數就可以調節直流環節的輸出和交流電流的輸入。但是式(3)中的變量都是隨時間變化的交流量，不利于控制系統的設計，所以需要將上述方程進行坐標變換。

將式(3)經過3s / 2s坐標變換，再經過2s / 2r坐標變換，就可得到變流器在dq坐標系中的數學模型如下：

在經過dq坐標系變換后，由于電感作用，使得dq兩個軸的電流之間存在耦合，相互會產生影響。因此，在對網側的控制器設計的過程中，需要通過解耦實現單獨控制id、iq。

3 網側變流器控制策略

網側變流器的主要控制目標是保持中間母線的直流電壓穩定。在dq坐標系下的電流矢量控制策略，是經過矢量坐標定向后，利用電流id和iq分 別調節母線電壓idc和無功輸出，同時通過前饋控制環節使id環的調節速率加快。

控制系統如圖2所示。

圖2 網側變流器控制系統

通過推導，可以得到變流器的有功和無功功率為：

式中，id、iq分 別為網側變流器的有功電流分量和無功電流分量，分別獨立調節id、iq就可以實現系統有功功率和無功功率的獨立解耦控制，并且P、Q的正負體現了變流器不同的功率傳輸特點。

4 仿真模型及結果分析

在風力發電的變流器控制系統中，變流器的調制方式具有關鍵的作用，它的調制深度與直流電容電壓的利用率直接相關。目前主流的PWM控制技術主要有正弦波調制（SPWM）和空間電壓矢量調制（SVPWM），它們主要目標是使輸入電流成為正弦量，并且讓系統運行于單位功率因數。SPWM是通過正弦基波與三角載波的比較，用它們的相交點來控制開關的開斷，其出發點就是為了得到更好的正弦波。而SVPWM是根據空間矢量的切換來得到圓形磁場，相對于SPWM方法，不僅能獲得高質量的正弦波，還具有提高直流電壓利用率、提高交流電機性能、減少轉矩脈動等優勢。

根據上文所推導的網側變流器數學模型，結合SVPWM控制算法，將設計的變流器矢量控制策略模型化，并對其進行仿真驗證。

根據主電路參數的選取原則綜合考慮，設置的仿真參數如下：

交流側的相電壓幅值為380V，頻率為60Hz，電網側的電阻為0.2Ω，電感為2mH，直流電容為1.8uF，中間直流參考電壓為700V。另外將逆變側變流器看成是一個電阻和一個反電動勢疊加。通過調節反電動勢的大小，可以控制網側變流器運行于整流狀態或逆變狀態。

圖3 為網側變流器的整體仿真模型。

圖3 網側變流器仿真模型

仿真開始時設定為正向功率運行狀態，在0.2s時通過對電壓源施加一個階躍響應，使電壓從500V階躍至800V，從而改變功率流向。

根據仿真結果，在0.2s突加一個階躍響應后，變流器的電壓經過一個短暫的調整后會較快回到設定值附近，表明該變流器系統具備良好的魯棒性。在直流電壓的控制中，d軸電流是主要的參與者，這可以從圖4得到。而圖5中，在0.2s之前變流器的電壓和電流同相運行，而0.2s狀態改變后，變流器的電壓與電流相位開始相反。從圖6中有功功率的變化曲線也可以看出，當0.2s后功率流向改變，從吸收功率變為發出功率，對應于圖5及圖6的變化。

圖4 id及iq曲線

圖5 A相電壓電流

圖6 變流器輸出功率

結論：本文針對永磁直驅風電機組的背靠背PWM變流器基本結構進行了探討。通過推導變流器的數學模型，并對網側PWM變流器的控制策略進行了研究，利用坐標變換實現了對系統有功功率和無功功率的獨立解耦控制。最后在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，驗證了仿真模型的正確性和控制策略的有效性。