直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)諧波的抑制

張志剛 ，蘇耀國(guó)，樊鵬 黃守道 張文娟

(1. 湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410082；2. 長(zhǎng)沙學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410003;3. 國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，陜西 西安，710048)

直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator，D-PMSG)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)得到較快發(fā)展。隨著以PMSG為主體的大容量變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在市場(chǎng)中所占份額越來(lái)越大，提高PMSG的發(fā)電效率、抑制定子電流諧波和延長(zhǎng)機(jī)組工作壽命顯得尤為重要。D-PMSG常采用傳統(tǒng)兩電平雙PWM變流器全功率并網(wǎng)，兆瓦級(jí)PWM兩電平變流器減小了開(kāi)關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)工作效率，但機(jī)側(cè)變流器開(kāi)關(guān)頻率較低，輸出與輸入電流諧波成分較高。同時(shí)，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形含有較多諧波，大量諧波會(huì)增大永磁發(fā)電機(jī)的銅耗與鐵耗，減小發(fā)電機(jī)組效率，引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)電機(jī)運(yùn)行及壽命有很大影響。劉春喜等[1?5]通過(guò)改進(jìn)機(jī)側(cè)濾波器來(lái)消除諧波，取得了一定效果，但增加了系統(tǒng)成本。郭新華等[6?9]研究了基于空間矢量調(diào)制的電流諧波控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)定子電流波形的優(yōu)化，效果較佳，但控制方法較復(fù)雜。王賀超等[10?12]利用諧振控制對(duì)交流信號(hào)穩(wěn)態(tài)無(wú)差控制，提出將比例積分諧振控制器應(yīng)用于D-PMSG機(jī)側(cè)變流器對(duì)指定次諧波電流進(jìn)行控制的諧波電流控制策略，以消除定子電流中幅值較高的諧波。這些方法均從控制方法出發(fā)提高系統(tǒng)性能，并未從根源上對(duì)諧波產(chǎn)生進(jìn)行改善。二極管中點(diǎn)鉗位(neutral point clamped multilevel converter, NPC)型三電平變流器近幾年在中高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)的兩電平變流器而言，它具有如下3個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：1)每個(gè)橋臂上開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力為直流側(cè)輸入電壓的一半，無(wú)需動(dòng)態(tài)均壓電路就可以將低耐壓的器件應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)合[13?14]；2)在相同開(kāi)關(guān)頻率下，三電平變流器線(xiàn)電壓的諧波成分比兩電平變流器成分要小得多[15?18]；3)由于電壓應(yīng)力的成倍降低，有效地減小了開(kāi)關(guān)損耗[19?20]。為此，本文作者針對(duì)傳統(tǒng)D-PMSG兩電平PWM變流器風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)諧波成分高的缺點(diǎn)，對(duì)新型拓?fù)淙娖絅PC變流器進(jìn)行研究，可從諧波產(chǎn)生根源上對(duì)其有效抑制，且降低了機(jī)側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)難度。本文采用雙重傅里葉級(jí)數(shù)的方法分析三電平變流器的諧波特性。為了驗(yàn)證所提出的諧波抑制方案的可行性和正確性，建立基于新型背靠背雙NPC三電平變流器的D-PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，并給出仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與兩電平變流器所得結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證三電平變流器良好的諧波抑制效果。

1 D-PMSG傳統(tǒng)變流器拓?fù)?/h2>

直驅(qū)型永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常常采用背靠背兩電平雙PWM變流器電路拓?fù)洌鐖D1所示。發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)控制常采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向 SVM 矢量控制策略，控制框圖如圖2所示。

圖1 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電傳統(tǒng)兩電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 Topology of traditional two-level converter for direct wind power generation of drive permanent magnet

圖2 機(jī)側(cè)兩電平SVM變流器控制方法Fig. 2 Control method for two-level SVM converter of machine side of direct drive permanent magnet

以A相為例，SVM調(diào)制算法下對(duì)A相電壓進(jìn)行傅里葉分解得

其中：為調(diào)制系數(shù)；ua為A相電壓；為Vdc為直流端電壓。

2 D-PMSG-NPC三電平拓?fù)?/h2>

D-PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，由2個(gè)背靠背(back-back)的NPC型三電平電壓源變流器組成，2個(gè)變流器通過(guò)直流電容連接。

2.1 工作原理

從電路拓?fù)淇梢钥闯鲋悬c(diǎn)鉗位三電平變流器每一相橋臂由4個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管、2個(gè)鉗位二極管組成。三相橋兩電平變流器每個(gè)橋臂只有2個(gè)開(kāi)關(guān)器件，每個(gè)橋臂只有2種狀態(tài)：如對(duì)于A相橋臂，當(dāng)上管導(dǎo)通、下管截止時(shí)稱(chēng)為1態(tài)，這時(shí)A橋臂的開(kāi)關(guān)函數(shù)為Sa=1；當(dāng)下管導(dǎo)通、上管截止時(shí)稱(chēng)為零態(tài)，Sa=0。圖3中三電平變流器每橋臂有4個(gè)開(kāi)關(guān)器件，每個(gè)橋臂可以安排3種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，若用Sa，Sb和Sc分別表示A，B和C各橋臂的開(kāi)關(guān)函數(shù)，則Sa，Sb和Sc應(yīng)是三態(tài)開(kāi)關(guān)函數(shù)。以A相橋臂為例，其開(kāi)關(guān)狀態(tài)如表1所示，其中Qa1和Qa2分別為A相上橋臂2個(gè)開(kāi)關(guān)管的門(mén)極信號(hào)。每個(gè)橋臂可以輸出?Vdc/2，0和Vdc/2這3種電平。

圖3 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)NPC三電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 3 Topology of NPC three-level converter for wind power generation system of direct drive permanent magnet

表1 三電平變流器開(kāi)關(guān)狀態(tài)Table 1 Three-level converter switching status

NPC型三電平變流器電壓基向量可以分為4類(lèi)：大向量、中向量、小向量和零向量。平面被大向量和和零向量分為 6個(gè)主三角區(qū)域Ⅰ~Ⅶ，每個(gè)主區(qū)域代表基頻的1/6。每個(gè)主區(qū)域又分為4個(gè)小區(qū)域，最終該平面被分割為24個(gè)區(qū)。三電平空間矢量圖可以看作由6個(gè)傳統(tǒng)兩電平空間矢量組成，在αβ平面上，圖4所示為三電平空間矢量圖，有V0~V18共19個(gè)基向量。

圖4 NPC三電平變流器空間矢量圖Fig. 4 Space vector diagram of NPC three-level converter

2.2 SVM調(diào)制方法

SVM調(diào)制應(yīng)用到三電平變流器時(shí)，1個(gè)采樣周期內(nèi)主要有3步來(lái)獲取合適的開(kāi)關(guān)狀態(tài)：1)選擇合適的基向量；2)計(jì)算基向量的作用時(shí)間；3)選擇合適的開(kāi)關(guān)順序。根據(jù)NPC變流器空間矢量圖，每個(gè)主區(qū)分為4個(gè)子區(qū)域，假設(shè)合成電壓向量落在小區(qū)域4中，如圖5所示。為減少輸出電壓的諧波，在每個(gè)PWM周期內(nèi)，參考電壓由最接近的3個(gè)電壓基向量用來(lái)合成輸出電壓空間向量，則選擇基向量V2，V7和V14，其作用時(shí)間分別用d1，d2和d3表示。

圖5 NPC三電平變流器空間矢量合成Fig. 5 Space vector synthesis of NPC three-level converter

根據(jù)伏秒平衡得

其中：Vref為合成向量。

將電壓向量值代入式(2)得

由等式兩邊實(shí)部和虛部相等，化簡(jiǎn)得

由圖5可知，Vref的投影Vx和Vy可表示為

其中：φ為合成向量與橫軸的夾角。

令可推導(dǎo)求解得

當(dāng)電壓合成向量在區(qū)域1，2和3時(shí)，每個(gè)基向量的作用時(shí)間的計(jì)算方法與區(qū)域4的類(lèi)似，d2和d3計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 作用時(shí)間計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of action time

判斷合成電壓矢量位于哪個(gè)子區(qū)域，可以用將dL1和dL2代入如下判據(jù)中進(jìn)行判斷。

主區(qū)域Ⅰ?子區(qū)域1：dL1+dL2≤0.5；

主區(qū)域Ⅰ?子區(qū)域2：dL1＞0.5；

主區(qū)域Ⅰ?子區(qū)域4：dL2＞0.5；

主區(qū)域Ⅰ?子區(qū)域4：其他。

無(wú)論電壓合成矢量Vref位于何區(qū)域，均可以由上述法則進(jìn)行判定。

3 機(jī)側(cè)諧波性能分析

在直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)與PWM變流器直接相連，變流器的輸出電壓電流的諧波即為發(fā)電機(jī)定子諧波。變流器的輸出諧波直接影響發(fā)電機(jī)的諧波損耗，因此，對(duì)NPC三電平拓?fù)溥M(jìn)行諧波分析是有必要的。圖6所示為發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的開(kāi)關(guān)等效模型。三相NPC三電平輸出電壓波形見(jiàn)圖7。

圖6 發(fā)電機(jī)側(cè)三電平變流器等效模型Fig. 6 Equivalent model of three-level converter on generator side

圖7 發(fā)電機(jī)側(cè)三電平變流器輸出電壓波形Fig. 7 Generator side three-level converter output voltage waveform

以A相為例，在SVM調(diào)制算法下，對(duì)NPC三電平變流器相電壓進(jìn)行傅里葉分解可得

其中：a0=an=0；

bn為各次諧波電壓幅值；N為1/4周期內(nèi)開(kāi)關(guān)角數(shù)量；滿(mǎn)足

從式(11)可以看出諧波含量與每次開(kāi)關(guān)動(dòng)作有關(guān)，合理安排開(kāi)關(guān)狀態(tài)是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。同時(shí)，直流電容的充放電狀態(tài)由三電平變流器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定， C1和C2的充放電將導(dǎo)致直流母線(xiàn)中點(diǎn)電位發(fā)生波動(dòng)。較大的電壓不平衡將會(huì)損壞開(kāi)關(guān)器件，引入輸出電壓諧波。

從NPC型三電平變流器空間矢量圖看，大向量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)使發(fā)電機(jī)輸出和直流母線(xiàn)的正、負(fù)相連，不影響中點(diǎn)電壓；零向量對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)使發(fā)電機(jī)輸出短接，與正、負(fù)或零母線(xiàn)相聯(lián)，也不會(huì)影響中點(diǎn)電壓。而中向量和小向量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)意味著至少有一相輸出和中性點(diǎn)相連，并與正、負(fù)母線(xiàn)形成電流回路，從而導(dǎo)致電容C1和C2充放電，導(dǎo)致直流母線(xiàn)中點(diǎn)電壓發(fā)生波動(dòng)。因此，機(jī)側(cè)變流器在控制永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，控制直流母線(xiàn)的中性點(diǎn)電壓至關(guān)重要。

在 SVM 調(diào)制方式下，中性點(diǎn)電壓的控制可以通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)小向量中1對(duì)正負(fù)冗余向量的作用時(shí)間實(shí)現(xiàn)。設(shè)在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，1對(duì)冗余向量的總作用時(shí)間占空比為dr，正負(fù)冗余向量的比重系數(shù)為K，則作用占空比為：

其中：dp和dn分別表示正、負(fù)冗余向量作用占空比，且?1＜K＜1。因此，三電平 NPC變流器拓?fù)渲彬?qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的中性點(diǎn)電壓可以通過(guò)控制系數(shù)K實(shí)現(xiàn)。直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)三電平 NPC變流器控制框圖如圖8所示。

圖8 發(fā)電機(jī)側(cè)三電平變流器控制框圖Fig. 8 Control block diagram of generator level three-level converter

4 仿真研究

運(yùn)用 Matlab/Simulink工具箱，分析三電平 NPC拓?fù)鋺?yīng)用在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的特性，并與兩電平變流器的諧波特性進(jìn)行對(duì)比分析。模型的額定功率為1 MW，直流母線(xiàn)電壓1.2 kV。永磁發(fā)電機(jī)主要參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速為30 r/min，定子額定電壓為690 V，額定電流為700 A。

仿真模型中，D-PMSG機(jī)側(cè)變流器采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向id=0控制策略，永磁發(fā)電機(jī)設(shè)為轉(zhuǎn)矩給定模式，額定轉(zhuǎn)矩給定為?100 kN.m，對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。當(dāng)轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，采用三電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)定子電壓、電流仿真波形以及電流諧波分析結(jié)果見(jiàn)圖9~11。在相同工作條件下，采用兩電平變流器控制下的發(fā)電機(jī)定子電壓、電流仿真波形及電流諧波分析結(jié)果見(jiàn)圖12~14。對(duì)比圖9和圖12可見(jiàn)：三電平變流器發(fā)電機(jī)線(xiàn)電壓、定子電流信號(hào)正弦性好，兩電平變流器的總諧波失真為 6.21%，三電平的總諧波失真為 2.23%，三電平的諧波幅值相對(duì)于兩電平均有所降低。

圖9 三電平變流器拓?fù)浒l(fā)電機(jī)線(xiàn)電壓Fig. 9 Generator line voltage of three-level converter topology

圖10 三電平變流器拓?fù)浒l(fā)電機(jī)定子電流Fig. 10 Generator stator current of three-level converter topology

圖11 三電平變流器拓?fù)浒l(fā)電機(jī)定子電流諧波分析Fig. 11 Harmonic analysis of generator stator current in three-level converter topology

圖12 兩電平變流器拓?fù)浒l(fā)電機(jī)線(xiàn)電壓Fig. 12 Generator line voltage of two-level converter topology

圖13 兩電平變流器拓?fù)浒l(fā)電機(jī)定子電流Fig. 13 Generator stator current of two-level converter topology

圖14 兩電平變流器拓?fù)浒l(fā)電機(jī)定子電流諧波分析Fig. 14 Harmonic analysis of generator stator current in two-level converter topology

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證三電平拓?fù)渚哂幸种瓢l(fā)電機(jī)電流諧波功能，在實(shí)驗(yàn)室搭建NPC三電平變流器原型樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用直流機(jī)拖動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，永磁發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能經(jīng) 2臺(tái) NPC三電平變流器背靠背并入電網(wǎng)。使用QualityStar功率分析儀采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要參數(shù)如下：發(fā)電機(jī)額定功率為7.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，定子額定電壓為380 V，額定電流為17.5 A，直流母線(xiàn)電壓為650 V。

當(dāng)永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，在滿(mǎn)載和半載狀態(tài)下，NPC三電平與兩電平變流器控制下的發(fā)電機(jī)A相定子電流對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖15和圖16，實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表3。

圖15 不同變流器拓?fù)淇刂葡掳l(fā)電機(jī)半載定子電流波形Fig. 15 Generator stator current waveform in half load under control of different topology converters

圖16 不同變流器拓?fù)淇刂葡掳l(fā)電機(jī)滿(mǎn)載定子電流波形Fig. 16 Generator stator current waveform in full load under control of different topology converters

表3 兩電平與三電平變流器諧波對(duì)比分析Table 3 Comparison of harmonic analysis results of two-level and three-level converter

與兩電平變流器相比，采用NPC三電平變流器控制直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，由于電壓諧波成分降低，定子電流中諧波幅值明顯減小。通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)工作于滿(mǎn)載狀態(tài)和半載狀態(tài)時(shí)，與兩電平變流器相比，三電平變流器控制下的發(fā)電機(jī)定子電流諧波成分降低了近一半，具有較好的諧波抑制作用。因此，采用三電平 NPC變流器，雖然諧波沒(méi)有完全根本消除，但仍有較好的諧波抑制效果，控制效果明顯，相對(duì)于兩電平變流器而言，定子電流信號(hào)正弦性好。

6 結(jié)論

1)本文研究的D-PMSG背靠背NPC變流器風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下永磁同步發(fā)電機(jī)定子電流諧波抑制具有一定效果，可減小永磁發(fā)電機(jī)的銅耗與鐵耗，提高發(fā)電機(jī)組效率。

2)采用三電平NPC變流器時(shí)，雖然諧波沒(méi)有根本消除，但控制效果明顯，相對(duì)于二電平變流器而言，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)線(xiàn)電壓、定子電流正弦性好。

3)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量流動(dòng)特性，要保證母線(xiàn)電容均壓，需要檢測(cè)上下電容電壓并合理的選擇不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，否則會(huì)引入更多諧波。

4)本文在小功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)大功率直驅(qū)型永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的諧波抑制具有一定的指導(dǎo)意義。

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