直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真

王旭峰

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001）

0 引言

目前，大規(guī)模風(fēng)電場大多采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，但其存在很多缺陷。特別在低電壓穿越能力方面，因?yàn)殡p饋機(jī)的定子直接與電網(wǎng)相連，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生很大影響。永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)（permanent magnet synchronous generator,PMSG）因其沒有故障率較高的齒輪傳動(dòng)，噪音小以及維護(hù)成本低等獨(dú)特優(yōu)勢，已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域重要研究方向。

直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組需經(jīng)過全功率變流器才能接入電網(wǎng)，目前應(yīng)用最多的是“AC-DC-AC”變流方式，其中采用背靠背四象限電壓源型變流器的聯(lián)網(wǎng)方式由于控制靈活而越來越受到重視。

1 永磁同步風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

該直驅(qū)永磁風(fēng)力系統(tǒng)主要采用雙PWM背靠背方案，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

永磁同步發(fā)電機(jī)定子通過背靠背變流器和電網(wǎng)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)的獨(dú)立控制，并把電網(wǎng)不對(duì)稱故障的影響最大限度的控制在網(wǎng)側(cè)。機(jī)側(cè)PWM變流器的主要作用是控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。網(wǎng)側(cè)PWM變流器的主要作用是提供穩(wěn)定的直流母線電壓，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)的單位功率因數(shù)控制。

2 雙PWM變流器控制策略

2.1 機(jī)側(cè)變流器控制策略

機(jī)側(cè)變流器將頻率和幅值變化的交流電整流成恒定直流，同時(shí)通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子電流的d、q軸分量，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩來完成最大風(fēng)能捕獲。本文采用定子電壓定向的定子電流控制方法，取同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸方向?yàn)槎ㄗ与妷菏噶康姆较?，則有usd＝us，usq＝0。

永磁同步電機(jī)電流方程[2]：

發(fā)電機(jī)的功率為：

由式（2）可見，在定子電壓定向的坐標(biāo)系下，有功和無功電流是解耦的。但是由式（1）可見，定子的d、q軸電流除了受定子控制電壓usd、usq的影響外還存在耦合項(xiàng)。所以，在發(fā)電機(jī)的電流內(nèi)環(huán)控制中，需要對(duì)定子的d、q軸電流分量分別進(jìn)行PI閉環(huán)控制。在得到相應(yīng)的控制定壓u′sd和 u′sq之后， 分別加上前饋電壓交叉項(xiàng)－ωeLisq和 ωeLisd+Es，即可實(shí)現(xiàn)電流的解耦控制。

2.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器把直流母線電壓逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同頻率的交流電，通過調(diào)節(jié)接收端電流d、q軸分量可以維持直流母線電壓穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)流向電網(wǎng)的無功功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)有功和無功的單獨(dú)控制。本文以直流電壓Vdc和網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)交換的無功功率Qc為控制目標(biāo)，采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方案，實(shí)現(xiàn)有功和無功的解耦控制。選取同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸方向?yàn)殡娋W(wǎng)電壓矢量方向，q軸順著旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°，則ed=E；eq=0。網(wǎng)側(cè)變流器的電壓方程為：

式中：ed、eq為電網(wǎng)電壓的 d、q 軸分量；ucd、ucq為網(wǎng)側(cè)變流器電壓的d、q軸分量。

網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)交換的有功功率Pc和無功功率Qc分別為[3]：

由（4）可知，網(wǎng)側(cè)的有功和無功功率只與d、q軸電流有關(guān)，實(shí)現(xiàn)完全解耦。但是由式（3）可見，網(wǎng)側(cè)變流器動(dòng)態(tài)模型中還存在相互耦合項(xiàng)。通過前饋補(bǔ)償法分別加上－ωcLcicq和ωcLcicd，就可以實(shí)現(xiàn)解耦。

3 仿真分析

根據(jù)上述理論分析，建立仿真模型，仿真參數(shù)：額定功率1.5MW，額定電壓0.69kV，額定轉(zhuǎn)速18r/min，極對(duì)數(shù)32，定子電阻0.0001p.u，直流電容30000μF，直流電壓25kV，機(jī)側(cè)變流器開關(guān)頻率2kHz，網(wǎng)側(cè)變流器開關(guān)頻率0.5kHz，風(fēng)機(jī)數(shù)量40臺(tái)，總?cè)萘?0MW。

該系統(tǒng)共有4個(gè)發(fā)電單元，每單元出口電壓是690V，然后分別經(jīng)過一個(gè)額定容量為20MVA的機(jī)側(cè)PMW變流器，將幅值、頻率變化的交流電整流為25kV直流電。其中兩個(gè)單元經(jīng)過10km直流輸電電纜，另外兩個(gè)單元經(jīng)過5km直流輸電電纜然后共同連接至一個(gè)額定容量為65MVA的網(wǎng)側(cè)PWM變流器，將25kV直流電逆變?yōu)轭l率50Hz的690V交流電。再通過額定容量為65MVA，額定電壓分別為0.69kV/20kV和20kV/110kV的兩個(gè)升壓變壓器，將電能接入110kV的無窮大電網(wǎng)。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 各參數(shù)仿真結(jié)果曲線分布

由圖2(a)可見，經(jīng)歷1.159s左右的啟動(dòng)階段后，單臺(tái)發(fā)電機(jī)的有功功率能夠達(dá)到額定功率1.5MW并保持穩(wěn)定。說明在風(fēng)電場啟動(dòng)之后，機(jī)側(cè)變流器能夠控制發(fā)電機(jī)輸出有功功率以實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能跟蹤。由圖2(b)可見，在0.74s左右網(wǎng)側(cè)變流器能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行；由圖2(c)可見，該網(wǎng)側(cè)變流器可以有效維持直流母線電壓穩(wěn)定在25k V；由圖2(d)可見，在1.159s時(shí)電網(wǎng)高壓側(cè)的相電壓與給定值相等并且保持穩(wěn)定，是63.51kV。說明本文采用的網(wǎng)側(cè)變流器控制策略能夠維持直流母線電壓穩(wěn)定，同時(shí)通過電流解耦控制可以滿足有功和無功功率的單獨(dú)控制。

4 結(jié)語

本文分析研究了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)設(shè)計(jì)了全功率變流器的控制策略。在DIgSILENT/PowerFactory仿真平臺(tái)中建立了完整的基于雙PWM變流器并網(wǎng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明系統(tǒng)能很好的跟蹤參考值，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤以及并網(wǎng)有功和無功的獨(dú)立控制，驗(yàn)證了該發(fā)電場并網(wǎng)技術(shù)的可行性。

［1］李杰.直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)拓?fù)浼翱刂撇呗匝芯縖D].上海：上海大學(xué),2009：23-25.

［2］王濤.永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)建模與仿真[J].河北大學(xué)學(xué)報(bào),2011(11)：648-652.

［3］Liserre M,Cardenas R,Molinas M,et al.Overview of Multi-MW wind turbines and wind parks[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics,2011,58(4)：1081-1095.