新型直驅(qū)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制策略

康爾良 黃善武 蘇顯賀

摘要：介紹了一種新型直驅(qū)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在推導(dǎo)出新型直驅(qū)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，提出一種基于矢量控制的空載并網(wǎng)控制策略。機(jī)側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器是雙PWPM變換器，機(jī)側(cè)變換器采用定子電壓定向矢量控制，網(wǎng)側(cè)變換器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，兩者協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定，有功功率和無(wú)功功率的解耦，功率因數(shù)可調(diào)。勵(lì)磁變換器采用定子磁鏈定向的矢量控制，通過(guò)控制勵(lì)磁電流來(lái)控制定子空載電壓，保證機(jī)側(cè)PWM整流器的可靠運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，對(duì)控制策略進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，在風(fēng)速大范圍變化時(shí)，該新型系統(tǒng)有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)操作，驗(yàn)證了該控制策略的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);直驅(qū)交流勵(lì)磁;空載并網(wǎng);PWM變換器;矢量控制

DOI：10.15938/j.jhust.2020.02.014

中圖分類號(hào)：TM315文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-2683（2020）02-0105-06

0 引言

風(fēng)能是一種“綠色”的可再生能源，而且我國(guó)可利用的風(fēng)能資源豐富。不論是從優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，還是從節(jié)能減排的環(huán)保角度，我國(guó)都應(yīng)大力發(fā)展風(fēng)電。目前，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)憑借其一系列優(yōu)點(diǎn)和較成熟的技術(shù)成為現(xiàn)今使用最多的兩個(gè)機(jī)型，但也存在一些缺點(diǎn)。

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，需要使系統(tǒng)可靠性變差的齒輪箱，維護(hù)成本高。發(fā)電機(jī)定子直接與電網(wǎng)連接，這種結(jié)構(gòu)屬于強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)，低壓穿越實(shí)現(xiàn)比較困難;直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)中，省去齒輪箱，效率變高，但是轉(zhuǎn)子側(cè)電流頻率、幅值不可控，能夠發(fā)電的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍變窄。全功率變換器對(duì)電網(wǎng)故障控制能力變強(qiáng)，但是大功率變換器成本高。而且永磁同步電機(jī)體積大，永磁材料存在退磁、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。為解決雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定、轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)強(qiáng)耦合、可靠性差的問(wèn)題，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)勵(lì)磁不可控、運(yùn)行范圍窄的問(wèn)題，介紹一種新型直驅(qū)式交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。由風(fēng)力機(jī)、直驅(qū)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)、整流單元（機(jī)側(cè)變換器）、逆變單元（網(wǎng)側(cè)變換器）、交流勵(lì)磁電源（交流勵(lì)磁變換器）、直流母線組成，其中整理單元、逆變單元、勵(lì)磁電源與直流母線組成共直流母線結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)與雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上少了齒輪箱，定子側(cè)通過(guò)變換器與電網(wǎng)連接，解決了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)的電網(wǎng)低壓穿越問(wèn)題，與直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，交流勵(lì)磁電源為轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁，勵(lì)磁電壓和頻率可控，增加了可發(fā)電條件下機(jī)組轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，同時(shí)解決了永磁風(fēng)力機(jī)組體積大，使用稀土材料的問(wèn)題。

并網(wǎng)是風(fēng)力發(fā)電的基本問(wèn)題，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行的起點(diǎn)，要求發(fā)電機(jī)定子電壓通過(guò)變換器連接電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)安全并網(wǎng)，進(jìn)人正常發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，投入使用。因此，需研究合適的并網(wǎng)方法實(shí)現(xiàn)安全并網(wǎng)。

本文主要介紹了新型直驅(qū)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在直驅(qū)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)該系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出一種應(yīng)用于此系統(tǒng)的并網(wǎng)控制策略，并應(yīng)用Madab軟件中的Simulink模塊，對(duì)控制策略進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明，該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)安全并網(wǎng)。

1 新型發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接，向發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率。直驅(qū)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)與繞線式異步電機(jī)類似，轉(zhuǎn)子側(cè)有三相勵(lì)磁繞組，但是由于風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)直接相連，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)為了保證電機(jī)性能，設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)大于等于8，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比繞線式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大;同時(shí)將發(fā)電機(jī)定子側(cè)繞組同相并聯(lián)轉(zhuǎn)換為繞組串聯(lián)的方式以增加定子繞組匝數(shù)，使發(fā)電機(jī)定子電壓升高。整流單元將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能整流存儲(chǔ)在直流母線的電容中，逆變單元的作用是將儲(chǔ)存于直流母線電容上的電能逆變成功率因數(shù)可控的工頻交流電輸入電網(wǎng)，交流勵(lì)磁電源為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁，頻率和電壓均可獨(dú)立調(diào)節(jié)。勵(lì)磁磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向可以與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相同或相反，增加了發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍。直流母線由一組電容并聯(lián)接于銅排組成，用于電能儲(chǔ)存，是電能傳輸?shù)木彌_池，使系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)在電氣上與電網(wǎng)解耦，只要風(fēng)力機(jī)提供的機(jī)械能大于整個(gè)系統(tǒng)的損耗，那么系統(tǒng)就能夠向電網(wǎng)發(fā)電。

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，直流母線電壓為零，網(wǎng)側(cè)變換器工作在整流狀態(tài)由電網(wǎng)向直流母線充電，直流母線電壓只需使轉(zhuǎn)子勵(lì)磁工作，建立發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)，機(jī)組轉(zhuǎn)速大于零，發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電且通過(guò)機(jī)側(cè)變換器整流同時(shí)向直流母線充電至額定電壓，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具備了發(fā)電的條件。

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，直驅(qū)式交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)相似，定、轉(zhuǎn)子上都有三相對(duì)稱繞組。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組由一個(gè)頻率、幅值、相序都可以調(diào)節(jié)的三相交流電源供電，定子繞組發(fā)出電能并通過(guò)變換器并人電網(wǎng)。發(fā)電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)滿足如下關(guān)系

ω₁=ω₂±_r（1）

公式中：ω₁為定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電角速度;ω₁為轉(zhuǎn)子本身旋轉(zhuǎn)的電角速度;ω₂為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電角速度。

上式說(shuō)明：直驅(qū)式交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的原理是依據(jù)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速確定勵(lì)磁磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速相加或相減以保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于最佳工作點(diǎn)。

2 新型系統(tǒng)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

建立數(shù)學(xué)模型之前，規(guī)定定、轉(zhuǎn)子繞組均采用電動(dòng)機(jī)慣例，即電壓降的正方向與電流的正方向一致，電流i與磁鏈ψ符合右手螺旋法則。下文控制策略研究主要是分析d-q坐標(biāo)系發(fā)電機(jī)模型，因此建立發(fā)電機(jī)在d-q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，磁鏈方程為式中：L_m為d-q坐標(biāo)系同軸等效定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組間的互感;L_s為d-q坐標(biāo)系中定子等效兩相繞組的自感;L_r為d-q坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感，電壓方程為

式中：u_sd、u_sq、u_rd、u_rq分別為定、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量，p為微分算子。

轉(zhuǎn)矩方程

式中：T_L為風(fēng)力機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩;J為風(fēng)力機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

3 新型系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略研究

本文采用空載并網(wǎng)控制，空載并網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)處于空載狀態(tài)，定子電流為0，檢測(cè)電網(wǎng)電壓的頻率、相位、幅值。機(jī)側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器采用雙PWM變換器，網(wǎng)側(cè)逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功能，諧波會(huì)引起設(shè)備的附加損耗，降低效率，加速絕緣老化，很大縮短設(shè)備壽命，還可能產(chǎn)生局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，放大諧波水平，為了減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，輸入電網(wǎng)的電流波形正弦，同時(shí)控制功率輸出，使輸入功率因數(shù)可調(diào)，機(jī)側(cè)可控整流變換器將發(fā)電機(jī)輸出電能轉(zhuǎn)換為直流電能儲(chǔ)存于直流母線，同時(shí)兩個(gè)變換器協(xié)調(diào)控制直流母線電壓穩(wěn)定。機(jī)側(cè)可控整流變換器將發(fā)電機(jī)輸出電能轉(zhuǎn)換為直流電能儲(chǔ)存于直流母線，同時(shí)兩個(gè)變換器協(xié)調(diào)控制直流母線電壓穩(wěn)定。機(jī)側(cè)PWM整流器可以等效為Boost變換器，若要其能正常工作，直流側(cè)的電壓必須高于發(fā)電機(jī)定子線電壓的峰值。因此，勵(lì)磁變換器控制發(fā)電機(jī)定子空載電壓的大小，保證機(jī)側(cè)PWM整流器可靠運(yùn)行。

3.1 網(wǎng)側(cè)、機(jī)側(cè)變換器控制策略

機(jī)側(cè)變換器與網(wǎng)側(cè)變換器采用雙PWM變換器，兩者既可以工作在整流狀態(tài)也可以工作在逆變狀態(tài)，功率可以雙向流動(dòng)，功率因數(shù)可調(diào)，同時(shí)協(xié)調(diào)控制保證直流電壓穩(wěn)定。網(wǎng)側(cè)變換器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，將電網(wǎng)電壓矢量定向在d軸，則U_gd=U_g，U_gq=0.在d-q坐標(biāo)系中，網(wǎng)側(cè)變換器輸出的有功功率P_g和無(wú)功功率Q_g為

機(jī)側(cè)變換器采用定子電壓定向控制策略，將發(fā)電機(jī)定子電壓矢量定向在d軸，同樣采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，保證直流電壓的穩(wěn)定。機(jī)側(cè)變換器控制框圖與網(wǎng)側(cè)變換器類似，不過(guò)要檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子電壓、電流，這里就不再贅述。由于直流母線的緩沖作用，機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器雙重保證直流母線電壓的穩(wěn)定，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好，穩(wěn)定性高。

3.2 勵(lì)磁變換器控制策略

發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，定子電流d、g軸分量為0，其數(shù)學(xué)模型將簡(jiǎn)化。為了達(dá)到更好的控制效果，勵(lì)磁變換器采用定子磁鏈定向的矢量控制。定子磁鏈定向在d軸上，ψ_sd=ψ_s，ψ_sq=0，式中ψ_s為定子磁鏈?zhǔn)噶糠怠?/p>

電機(jī)電壓方程將簡(jiǎn)化為

從定子電壓可以看出，電機(jī)空載運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，u_sd=0，u_sq=U_s，定子電壓定向在g軸上，與定子磁鏈垂直。從式（8）可以看出，轉(zhuǎn)子電壓、電流d、q軸分量還未完全解耦，存在電流交叉耦合項(xiàng)。

根據(jù)以上討論，新型系統(tǒng)勵(lì)磁變換器定子磁鏈定向控制策略的框圖如圖4所示。該控制策略包括電壓外環(huán)和勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)用于跟蹤定子電壓，電流環(huán)用于調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)控制定子電壓達(dá)到一定數(shù)值，通過(guò)機(jī)側(cè)整流器、并網(wǎng)逆變器，達(dá)到并網(wǎng)目的。

4 仿真研究

4.1 仿真模型

為了驗(yàn)證提出的新型系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略的正確性，應(yīng)用Matlab中Simulink模塊進(jìn)行仿真分析。新型電機(jī)與風(fēng)機(jī)直接相連，在風(fēng)速較低的情況下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，為了使電機(jī)能夠達(dá)到良好的運(yùn)行狀態(tài)，極對(duì)數(shù)取為15.同時(shí)，為了更好的分析電機(jī)空載狀態(tài)，自己搭建電機(jī)空載模型。風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的仿真參數(shù)如表1、表2所示。

其他仿真參數(shù)：網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電感L=6mH，直流母線電容C=5000uF，直流母線電壓U_dc=1200V，變換器開(kāi)關(guān)頻率f=5000Hz。

4.2 仿真結(jié)果分析

風(fēng)電系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行一段時(shí)間后，風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速13m/s時(shí)，開(kāi)始并網(wǎng)，0.3s風(fēng)速突變升速為15m/s，0.6S風(fēng)速突變下降為11m/s，0.8s風(fēng)速又恢復(fù)到13m/s并保持不變。系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5-7.

從圖6、圖7、圖8可以看出，應(yīng)用所提出的并網(wǎng)控制策略，通過(guò)對(duì)機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)、勵(lì)磁變換器的控制，新型系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)只是在最開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，隨后快速穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了新型系統(tǒng)的柔性并網(wǎng)。并網(wǎng)后，在風(fēng)速變化時(shí)，系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

從圖6可以看出，新型系統(tǒng)在風(fēng)速變化時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速快速跟隨變化，勵(lì)磁變換器控制轉(zhuǎn)子電流相應(yīng)改變，轉(zhuǎn)子電壓也發(fā)生變化，保證定子電壓基本不變，能夠確保機(jī)側(cè)可控整流器的運(yùn)行，驗(yàn)證了勵(lì)磁變換器的控制策略正確性。

圖8為機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變換器A相電壓與電流關(guān)系曲線，可以看出，兩個(gè)變換器都運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，機(jī)側(cè)變換器電壓與電流相位同相，處于整流狀態(tài);網(wǎng)側(cè)變換器電壓與電流相位反相，處于逆變狀態(tài)。變換器電流波形接近正弦，諧波含量少，兩者協(xié)調(diào)控制直流母線電壓穩(wěn)定，完成并網(wǎng)操作。圖6可以看出直流母線電壓維持在1200V，保持不變，驗(yàn)證了機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)變換器控制策略的正確性。

仿真結(jié)果表明，風(fēng)速隨機(jī)大范圍變化，新型系統(tǒng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁變換器，保證定子空載電壓能夠使機(jī)側(cè)PWM整流器可靠運(yùn)行，機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器協(xié)調(diào)控制，保證直流母線電電壓穩(wěn)定和系統(tǒng)單位功率因數(shù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)空載并網(wǎng)操作，驗(yàn)證控制策略可行性和有效性。

5 結(jié)論

本文給出了一種新型直驅(qū)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，提出了一種基于矢量控制的空載并網(wǎng)控制策略，詳細(xì)介紹了機(jī)側(cè)變換器、網(wǎng)側(cè)變換器和勵(lì)磁變換器的控制原理和方法，并在Matlab/Simulink軟件中對(duì)控制策略進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，風(fēng)速大范圍變化時(shí)，該控制策略并網(wǎng)輸出波形質(zhì)量好，能夠?qū)崿F(xiàn)逆變并網(wǎng)，驗(yàn)證了該控制策略的正確性。