永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流并聯(lián)及直流升壓的仿真研究

王銀濤，何　山，王維慶，王江濤

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊　830049；2.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊　830049；3.北京三興汽車有限公司，北京　100070)

?

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流并聯(lián)及直流升壓的仿真研究

王銀濤1,2，何山1,2，王維慶1,2，王江濤3

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830049；2.可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊830049；3.北京三興汽車有限公司，北京100070)

針對分散式小型風(fēng)力發(fā)電場，實現(xiàn)永磁風(fēng)電機(jī)組直流并聯(lián)，提出了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)PWM整流器直流側(cè)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。為了能使小型風(fēng)電場，就近接入大型風(fēng)電場或者并入電網(wǎng)時，降低傳輸過程中輸電損耗的目的，采用了DC-DC升壓組將直流母線電壓升高的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為能夠有效地實現(xiàn)發(fā)電機(jī)的并、切網(wǎng)，設(shè)計了對發(fā)電機(jī)輸出電壓瞬時采樣，來判斷發(fā)電機(jī)整流器側(cè)是否連接到直流母線的斷路器模型?；贛atlab/Simulink仿真平臺搭建了含3臺永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流器、斷路器和DC-DC升壓組的仿真模型，對永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速下的直流并聯(lián)與升壓進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，在理想狀態(tài)下，該模型可實現(xiàn)不同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直流并聯(lián)與升壓。

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)；PWM整流器；直流母線；并聯(lián)；直流升壓

0　引　言

中國陸地風(fēng)力資源豐富，風(fēng)能作為一種潔凈可再生能源，在石油和煤日趨枯竭的情況下，必將在未來取代傳統(tǒng)能源，在能源結(jié)構(gòu)和環(huán)保方面起重要作用。國內(nèi)使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有雙饋和直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)，而直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)較雙饋機(jī)具有變速運行、變槳距調(diào)節(jié)、低轉(zhuǎn)速、高效率和高功率因數(shù)等優(yōu)點。此外，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運行時，無需從電網(wǎng)中吸收無功功率建立磁場，可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)[1-2]，已經(jīng)成為當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電機(jī)研發(fā)的熱點。

目前，常見的風(fēng)電傳輸是通過每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)連接變流器產(chǎn)生恒頻的電能，就近接入交流電網(wǎng)，進(jìn)行交流輸電，但風(fēng)力發(fā)電具有較大的隨機(jī)性和波動性，交流并聯(lián)在風(fēng)機(jī)切、并網(wǎng)時，對電網(wǎng)穩(wěn)定運行有較大的影響[3-4]。此外，還有一種方式是把大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電接到換流站上進(jìn)行高壓直流輸電[4-7]，此種方法的優(yōu)點是可以進(jìn)行超長距離傳輸，但是換流站的造價過于昂貴。

以上文獻(xiàn)均是風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)和輸電的主要方式，都有其自身的缺陷。目前文獻(xiàn)中研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流并聯(lián)的情況，大多采用不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)同風(fēng)速的情況進(jìn)行仿真[8]。下面以1.5 MW 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，提出3臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速下，用整流器和直流升壓斬波電路組進(jìn)行直流并聯(lián)和直流升壓的結(jié)構(gòu)，并在Matlab/Simulink仿真平臺上進(jìn)行了仿真。表1為1.5 MW直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)。

表1　直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

1　多機(jī)直流并聯(lián)及DC-DC升壓數(shù)學(xué)模型

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及DC-DC組結(jié)構(gòu)簡圖

所提出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流并聯(lián)及直流升壓仿真系統(tǒng)，主要包括永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、整流器和DC-DC升壓組，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出電能，通過PWM整流器整流，并對直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓進(jìn)行測量，當(dāng)符合條件時PWM整流器的直流端并入直流母線，并且通過DC-DC升壓組進(jìn)行直流升壓。

此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：

1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)交流轉(zhuǎn)換成直流進(jìn)行并聯(lián)，無需考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)交-直-交后恒頻的問題。

2)斷路器判斷系統(tǒng)采用的是對直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的電壓進(jìn)行有效值采集。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電壓有效值達(dá)到一定范圍則斷路器閉合；當(dāng)不符合斷路器閉合條件時，自動斷開，這樣可以縮短電壓穩(wěn)定的時間，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。

3)DC-DC升壓斬波電路組相對于換流站而言雖然輸電距離較短，但是造價低，比較適用于小型風(fēng)力發(fā)電場短距離直流輸電。

1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)速-電壓曲線

對于發(fā)電機(jī)有公式(1)：

(1)

式中：n為風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為頻率；p為極對數(shù)；N為匝數(shù)；φ為磁通；λ為葉尖速比；R為葉尖半徑；w為角速度；v為風(fēng)速。

由式(1)可以得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓為

(2)

而風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕獲的風(fēng)能為[8-10]

(3)

式中：Cp(β,r)為風(fēng)能利用系數(shù)，是槳距角β和葉尖速比λ的函數(shù)；ρ為空氣密度。

通過式(2)和式(3)對比得

(4)

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳距角一定時，通過式(4)對比，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)最優(yōu)功率曲線可得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速-電壓曲線，如圖2。

圖2　風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速-電壓曲線

1.3斷路器的動作判據(jù)

根據(jù)風(fēng)速-電壓曲線可知風(fēng)機(jī)在風(fēng)速3 m/s時開始輸出電壓，但是只有當(dāng)電壓達(dá)到0.465 kV(風(fēng)速6 m/s)時，才能并入直流母線，而且當(dāng)達(dá)到0.76 kV(風(fēng)速25 m/s)時，為了保護(hù)設(shè)備必須把風(fēng)機(jī)切除。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整流器并聯(lián)到直流母線上時，直流側(cè)電壓恒定；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速不符合并網(wǎng)條件時，為了能夠有效地將風(fēng)力發(fā)電機(jī)切除，設(shè)計了對風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓瞬時采集作為動作判據(jù)的模型，根據(jù)情況對斷路器發(fā)出閉合或者斷開的信號。假定風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相電壓值相同，故只采取單相的電壓瞬時值，系統(tǒng)采樣時間t為0.000 1 s，并假定在每個采樣區(qū)間[t1,t2]里，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出為正弦信號，其電壓采樣U的公式為

(5)

斷路器閉合和斷開信號的判斷公式為

(6)

即當(dāng)斷路器Sn信號為1時斷路器閉合，風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入直流母線；而當(dāng)斷路器信號為0時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)從直流母線上切除。

1.4PWM整流器數(shù)學(xué)模型及其控制策略

PWM整流器主要目標(biāo)是控制變風(fēng)速的風(fēng)力機(jī)輸出恒定的直流電壓。因此，要實現(xiàn)恒定的直流電壓，就必須及時調(diào)整風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，使其始終運行在最佳葉尖速比。

為了分析問題的方便，假設(shè)如下的條件：首先，忽略電容、電感的飽和，認(rèn)為其是理想元件，忽略器件的損耗；其次，整流器IGBT的開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于交流電網(wǎng)的頻率[11]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)三相整流器拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3　三相整流器控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

將d軸定于轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈方向上，經(jīng)過abc/dq0坐標(biāo)變換之后。得到電機(jī)定子電壓方程為

(7)

式中：L和R分別為PMSG定子電感和電阻；ω為同步電角速度；φ為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；iq、id與Ud、Uq分別為定子電流與電壓的d、q軸分量。

發(fā)電機(jī)的最佳有功功率給定值為

(8)

式中：PCu為銅損；PFe為鐵損；P0為風(fēng)力機(jī)機(jī)械損耗。

如圖3所示，整流器控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略[12]。外環(huán)為功率環(huán)，其PI輸出量為q軸電流分量iq*，d軸電流分量id*設(shè)為0。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，d、q軸PI輸出量加上耦合電壓ΔUd和ΔUq，得到d、q軸控制電壓分量Ud和Uq，再經(jīng)abc/dq0變換后得到三相輸入電壓參考信號，最后通過脈沖發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動信號去控制整流器開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。

此種控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：不但可以控制直流母線電壓恒定、交流側(cè)輸入電流實現(xiàn)正弦化和單位功率因數(shù)運行，而且還可以獲得更好的穩(wěn)態(tài)性能和更快的動態(tài)響應(yīng)速度。

1.5DC-DC直流升壓組模型

目前，風(fēng)力發(fā)電直流傳輸大多采用換流站進(jìn)行直流傳輸，優(yōu)點是傳輸距離遠(yuǎn)、損耗相對較小，但是造價過于昂貴，并不適用于離電網(wǎng)較遠(yuǎn)的小型風(fēng)力發(fā)電場的直流傳輸。

圖4　DC-DC斬波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

于是提出了用DC-DC升壓組來代替換流站[13-14]，既達(dá)到了直流傳輸?shù)哪康?，又?jié)省了直流升壓過程中的造價成本。因為整流器是可控型，所以所設(shè)計的DC-DC組無需加PI控制即可達(dá)到要求的電壓，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2　系統(tǒng)仿真及分析

在Matlab/Simulink中搭建了1組3臺永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、整流器、斷路器和升壓組模型，針對不同風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速下的整流電壓的輸出、風(fēng)力發(fā)電機(jī)投切和DC-DC電壓的輸出情況進(jìn)行仿真。系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。

表2　仿真系統(tǒng)主要參數(shù)

根據(jù)風(fēng)電場的實際情況，風(fēng)速是變化的，并且每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)所受到的風(fēng)速也不相同，為便于仿真，每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)不同時刻受到的風(fēng)速如表3所示。

表3　不同時刻的風(fēng)速(m/s)

根據(jù)表3中的不同時刻風(fēng)速情況，并通過Simulink仿真得到3臺直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整流器直流側(cè)輸出電壓結(jié)果如圖5所示，DC-DC升壓組電壓輸出如圖6所示。

圖5　3臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流圖

此次仿真中，當(dāng)風(fēng)速超過25 m/s時將風(fēng)力發(fā)電機(jī)切出；當(dāng)風(fēng)速符合要求時，就迅速并網(wǎng)，以縮短穩(wěn)定時間。

第1臺和第3臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)在0～1 s時，風(fēng)速由0 m/s增至12 m/s和14 m/s，其整流電壓穩(wěn)定值可達(dá)到1.8 kV，用于建立母線和DC-DC升壓組輸出電壓，并將此電壓值作為1～6 s穩(wěn)定電壓參考值，由圖5(a)可知母線電壓穩(wěn)定時間為1 s，由圖6可知DC-DC升壓組電壓穩(wěn)定時間為1.5 s。

圖6　DC-DC升壓組電壓輸出圖

由圖5(a)和(b)中可以看出，當(dāng)?shù)?臺風(fēng)機(jī)在第2 s時風(fēng)速由4 m/s增為8 m/s，達(dá)到并入電網(wǎng)風(fēng)速(6 m/s)條件，風(fēng)機(jī)并入直流母線，引起直流母線電壓波動為-6%～3%，通過PWM整流器中積分調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，電壓穩(wěn)定時間為0.5 s，而DC-DC輸出電壓的波動為-1%～3%，穩(wěn)定時間為0.7 s。

由圖5(a)和(c)中可以看出，當(dāng)?shù)?臺風(fēng)機(jī)在第4 s時風(fēng)速由16 m/s增為25 m/s，達(dá)到了風(fēng)機(jī)運行的極限風(fēng)速(25 m/s)，為了保護(hù)設(shè)備必須把風(fēng)機(jī)切除，風(fēng)機(jī)切出，引起直流母線電壓的波動為-1%～2%，通過PWM整流器中積分調(diào)節(jié)，穩(wěn)定時間0.5 s，引起DC-DC輸出電壓的波動為+2%，穩(wěn)定時間0.6 s，風(fēng)機(jī)切出后其所產(chǎn)生的能量由整流器直流側(cè)電阻消耗，電壓衰減時間為1.5 s。

由以上分析可知：切機(jī)和并網(wǎng)對直流母線電壓和DC-DC輸出電壓的影響基本相同，且在直流母線對電壓波動的要求范圍內(nèi)。

對直流母線電壓進(jìn)行FFT分析，如圖7所示。根據(jù)傅里葉級數(shù)分析，三相橋式全控整流電路直流側(cè)輸出電壓中主要含有6k(k=1、2、3…)次諧波，且6次諧波的幅值最大，這里直流母線電壓主要含6次、12次、18次諧波，且6次諧波的幅值最大。

DC-DC升壓組輸出電壓進(jìn)行FFT分析如圖8所示。其電壓主要含20次、40次諧波，且20次諧波的幅值最大。由前面可知母線的電壓諧波次數(shù)為6、12和18，經(jīng)過DC-DC升壓組其諧波幅值均降低了，說明DC-DC升壓組不僅有升壓的作用，還對諧波有抑制和濾波作用。

圖8　DC-DC升壓組諧波分析圖

3　結(jié)　論

分析了3臺直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在不同風(fēng)速下直流并聯(lián)及DC-DC斬波電路組升壓的可行性，搭建基于雙閉環(huán)控制策略的PWM整流器的模型，并提出了兩組DC-DC直流升壓斬波電路串聯(lián)用于直流升壓的模型。仿真結(jié)果表明：

1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流并聯(lián)模塊仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)3臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速下的直流并聯(lián)；

2)切機(jī)相對并網(wǎng)引起直流母線和DC-DC升壓斬波電路組的電壓波動超調(diào)量要大，但二者調(diào)節(jié)時間基本相同；

3)DC-DC直流升壓斬波電路組可以實現(xiàn)升壓，且諧波的幅值相對于直流母線的諧波幅值有所減小。

[1]薛玉石，韓力，李輝，等．直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]．電機(jī)與控制應(yīng)用，2008，35(4)：1-5．

[2]尹明，李庚銀，張建成，等．直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模及其控制策略[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(15)：61-65．

[3]黨向東．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運行研究[D]．保定：華北電力大學(xué)，2010．

[4]程啟明，程尹曼，汪明媚，等．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J]．華東電力，2011，39(2)：239-245．

[5]薛英林，吳方劼，張濤，等．基于PSCAD/EMTDC的多端柔性直流輸電系統(tǒng)并行仿真計算[J]．電力建設(shè)，2016，37(2)：10-17．

[6]呂敬，施剛，蔡旭，等．大型風(fēng)電場經(jīng)VSC-HVDC交直流并聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)的運行控制策略[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2015，39(3)：639-646．

[7]Liang Haifeng，Li Gengyin，Wang Song，et al．VSC-HVDC Control System Framework[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24(5)：141-147．

[8]嚴(yán)干貴，劉吉剛，穆鋼，等．基于PSCAD/EMTDC的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)多機(jī)并聯(lián)運行仿真[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(7)：67-73．

[9]姚駿，廖勇，瞿興鴻，等．直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳風(fēng)能跟蹤控制[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(10)：11-15．

[10]Erdem Ergin，Shi Jing，Peng，et al．Short-term Forecasting of Wind Speed and Power——A Clustering Approach[C]//2014 IIE Annual Conference and Expo．US：IIE，2014：3501-3508．

[11]張婷婷，吳新開，劉洋，等．直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)PWM整流器的建模與仿真 [J]．電氣傳動自動化，2012，35(1)：35-39．

[12]鄧文浪，陳勇奇，郭有貴，等．基于RMC和VSC的海上風(fēng)電混合多端-HVDC系統(tǒng)[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2015，27(8)：01-07．

[13]谷鑫．直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Boost斬波-三電平變換器控制[D]．天津：天津大學(xué)，2010．

[14]陳勇奇．基于RMC的海上風(fēng)電并聯(lián)多端高壓直流輸電研究[D]．湘潭：湘潭大學(xué)，2014．

王銀濤(1990)，碩士研究生，研究方向為可再生能源及其控制技術(shù)；

何山(1974)，副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向為可再生能源及其控制技術(shù)；

王維慶(1959)，教授、博士生導(dǎo)師，從事電力系統(tǒng)及可再生能源的研究工作。

Aiming at the scattered small wind power fields which realize the DC parallel connection of direct-driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator (PMSG), the mathematical model is established that the connection of PWM rectifier of PMSG is parallel in DC side. In order to make small wind farm integrated with the nearest large wind farm or power grid and reduce the transmission loss in the process of more than ten kilometers far from the power grid, DC-DC chopper is used to rise the voltage of DC bus. In order to effectively realize the integration and cut off of generators, the instantaneous sampling of output voltage of wind turbine generator is designed to judge whether the rectifier side of wind turbine generator is connected to the short-circuit model of DC bus or not. Based on Matlab/Simulink simulation platform, the simulation model including three direct-driven wind turbines with PMSG, rectifier, circuit breaker and DC-DC boost group is established, and the simulation of DC in parallel and DC-DC boost under different wind speeds is analyzed. The simulation results show that the proposed model can realize DC in parallel and DC-DC boost of wind turbine generator under different wind speeds in the ideal condition.

direct-driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator (PMSG); PWM rectifier; DC bus; parallel; DC-DC boost

國家自然科學(xué)基金項目(51267017，51367015)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金新教師類資助課題(20136501120003)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(IRT1285)

TM315

A

1003-6954(2016)04-0001-05

2016-06-04)