直驱永磁风力发电机变流技术的研究.doc

论文题目：直驱永磁风力发电变流技术的研究 学 院：信息科学与工程学院 专业：控 制 工 程 现代电机控制技术直驱永磁风力发电变流技术的研究摘 要：介绍了直驱永磁风力发电变流技术的常用拓扑结构，并以当前常用的背靠背拓扑结构为例，介绍风力发电机网侧和机侧的控制策略，用SVPWM空间矢量控制给出IGBT的开关信号；同时利用matlab/simulink软件对提出的控制系统进行仿真，结果表明，仿真结果与分析结果相一致，验证了提出的控制策略能有效控制输入到电网的有功和无功功率。关键词：永磁同步发电机，SVPWM，变流器，背靠背，并网Study on Converter of Derect-Driven Permanent Magnet Wind GeneratorsQUAN YiAbstract: Introduced the commonly used topology of converter technology of direct-drive permanent magnet wind generators.Described the control strategies of wind turbine gri-side and generator-side by back to back topology.Adopted SVPWM control mode to control the switch signal of IGBT. After that,using matlab/simulink software makes simulation analysis for the proposed control system.The results show that the simulation is consistent with the analysis, and it can effectively control the input active power and reactive power of electrified wire netting.Key words: PMSG, SVPWM, converter, ack to back, connect grid1 引言8 近年来，可再生能源的开发和利用越来越得到各国家众专家学者的重视，风力发电更是研究的热点。自20世纪80年代以来，风力发电技术发展迅速，经历了从恒速恒频到变速恒频的发展，期间电力电子变流技术发挥了巨大的作用。当前发展最为迅速的是永磁直驱变速恒频风力发电系统，直驱型风力发电系统中使用的变流技术种类繁多，方中南大学信息科学与工程学院 长沙 410083School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083 案灵活，代表性强，代表风力发电的崭新发展方向。直驱型风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。首先将风能转化为频率和幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流电，然后直流电经过三相逆变器转换为三相频率恒定的交流电连接到电网。通过中间电力电子变化环节，对系统的有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，并且最大效率利用风能。2 二电平拓扑结构全功率变流器的拓扑结构主要分为两种：一种是二电平结构，另一种是多电平结构。前者主要应用在电网电压低于以下，后者主要用箝位电路，电网电压等级在以上。这里主要介绍常用二电平电路拓扑。2.1 不可控整流器后接晶闸管逆变器和无 功补偿型拓扑结构 如图2-1所示，系统中逆变器的开关管采用晶闸管。与自关断型开关管相比，晶闸管技术成熟，成本低，功率等级高，可靠性高。在过去的几十年中，相控强迫换向变流器用于高压直流输出电系统和变速驱动系统中。早期的并网风力发电机组基本都是采用晶闸管变流技术。但是晶闸管变流器工作时需要吸收无功功率，并且在电网侧会产生很大的谐波电流。为了满足电网谐波的要求，必须对系统进行补偿。由于变速恒频风力发电机组输入功率变化范围很大，因此补偿的无功功率变化范围也比较大。传统的投切电容方式不够灵活，系统需要电容可调、响应快速的无功功率补偿装置。通过检测逆变器输入端电压、电流以及电网的电压值，可以计算出补偿系统的触发延迟角。图2-1不可控整流器后接晶闸管逆变器和无功补偿拓扑结构晶闸管逆变器成本低，输入电网电流的谐波含量高，为了消除输入电网谐波电流，可以加入补偿系统。补偿系统的控制比较复杂，但是容量比较大，这会增加系统成本。为了更好的消除谐波，可以采用多脉波晶闸管等方法，但是会使成本有所增加。2.2 不可控整流器后接直流侧电压变化的PWM电压源型逆变器型拓扑结构如图2-2所示，这种拓扑结构的特点是将频率表和幅值都变化的变流电经过不可控整流器变为直流电后，直接通过PWM电压源型逆变器并入电网。图2-2不可控整流器后接晶闸管逆变器和无功补偿拓扑结构PWM电压源型逆变器与晶闸管逆变器相比，由于提高了开关频率，对电网的谐波污染大大的减少，而且可以通过控制逆变器的输出调制电压的幅值和相位来灵活地调节系统输出的有功功率和无功功率，从而可以调节直驱型发电机的转速，使其工作在最佳叶尖速状态，捕获最大风能。2.3 不可控整流后接直流侧电压稳定的PWM电压源型逆变器型拓扑结构 将图2-2结构中加入一个DC-DC Boost（升压）环节，得到如图2-3所示的直流侧电压稳定的PWM电压源型逆变器拓扑结构。通过增加这个环节，可以解决前面提到的PWM逆变器输入电压很低时PWM逆变器运行特性差的缺点。它通过Boost环节将逆变器直流母线电压提高并稳定在合适范围内，使逆变器的调制深度范围大，提高运行效率、减少损耗。同时，Boost电路还可以对永磁同步发电机输出侧进行功率因数校正。由于不可控整理器的非线性特性，整流器输入侧电流特新畸变很严重，谐波含量比较大，会使发电机功率因数降低，发电机转矩发生振荡。可以通过功率因数校正（PFC）技术，改变开关管的占空比，使发电机输出电流保持正弦，并保持与输出电压同步。图2-3不可控电路后接直流侧电压稳定的PWM电源型逆变器拓扑结构 可以看出，整个系统通过增加一级Boost电路将直流输入电压等级提高，系统控制简单，控制方法灵活，开关管利用率高。逆变器有输入电压稳定、逆变效果好、谐波含量低、经济性好的优点。在实际应用中，大功率直驱型发电机系统中一般采用这种结构。2.4 PWM整流器后接电压源型PWM逆变器型拓扑结构 将图2-2结构中的不可控整流桥部分换成PWM整流器，得到如图2-4所示的PWM整流器后接电压源型PWM逆变器型拓扑结构。前面提到，不可控整流桥的非线性特性，使整流桥输入侧电流特性畸变很严重，因此可以采用PWM整流技术，将频率和幅值变化的交流电整成恒定直流。此时，一个Boost型PWM整流器可以同时实现整流和升压的作用。由PWM整流器的特点可知，通过解耦控制，可以实现发电机的单位功率因数输出。同时，通过矢量控制技术来控制技术来控制发电机在不同运行环境下，可以实现对发电机的最大转矩、最大效率、最小损耗控制。因此，整个系统控制方法灵活，可以有针对地提高系统的运行特性。图2-4 PWM整流器后接电压源型PWM逆变器拓扑结构 这种结构的主要缺点是，前端的PWM整流器会大大提高系统的成本。虽然能够提高系统的性能，但是在大功率工程中性价比不如第三种结构，因此，一般只有在小功率系统中采用。2.5 不可控整流器后接电流源型逆变器型拓扑结构如图2-5所示，系统采用了与前面几种电压源型逆变器不一样的电流源型逆变器。与电压源型逆变器相比，电流源型逆变器具有四象限运行能力，系统更可靠，不存在击穿故障等优点，但是也存在逆变器和负载之间的相互影响较多，必须对称承压，带多个负载或者并联不易实现，动态响应慢等缺点。因此综合成本，效率和暂态响应上看，电压源型PWM逆变器更具有优势。这种拓扑结构还处于实验室阶段。图2-5不可控整流器后接电流源型逆变器拓扑结构3 直驱风力发电机系统结构直驱永磁风力发电机组采用变桨距风力机，没有齿轮箱，发电机为永磁同步发电机，而后接变流器、变压器并与电网相连。风作用在桨叶上推动风轮机旋转，产生旋转力矩，因为直驱永磁同步发电机组没有齿轮箱，故永磁同步发电机发出的电的频率为低速低频的，达不到工频所要求50HZ，不可以直接并网。故采用变流器，将电压幅值和频率都随风力变化的交流电经过整流逆变后变为频率与电压恒定的交流电送入电网。图2-4是直驱永磁同步发电机组系统的结构图，发电机定子和电网之间采用全功率背靠背电压源型变流器。与电网相连的变流器可控制直流侧电压和流向电网的发电功率，可以实现有功功率和无功功率的独立解耦控制；与发电机相连的变流器可根据风速变化调节发电机的转速，实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。永磁同步电机采用dq0轴系转子磁链定向控制，并使纵轴电流，这是直驱式永磁同步风力发电系统中最常用的控制策略。时，从发电机端口看，相当于一台他励直流发电机，定子电流只有横轴分量，且定子磁链空间矢量和永磁体磁链空间矢量正交。 时，发电机电磁转矩与横轴电流分量成正比，即 (3-1)式中，为电磁转矩；为极对数；为永磁体磁链。图3-1为时永磁同步电机空间矢量图。由于定子电流纵轴分量为零，不存在d轴的点数反应，因此不产生去磁作用。图3-1 永磁同步电机矢量图由矢量图可以看出，此时内功率因数角，定子电流出现在轴上。在低于额定风速情况下，为了追踪最大风能，需要随着风速的变化调节风轮的转速，保证最优的叶尖速比和最大风能利用系数。由运动方程可知 （3-2） 式中，原动机输入的机械转矩；为系统的转动惯量；为机械转速，；为摩擦系数。其中 （3-3） 对于无齿轮箱的直驱式风电系统，转子的机械转速与风轮转速相同。所以，代入运动方程，得 （3-4） 因此在风速变换的情况下，调节发电机的电磁转矩，即可影响永磁同步发电机械转速，使风轮的转速跟踪参考值，来获得最优的叶尖速比，以此达到最大效率利用风能的目的。 具体的系统框图如图3-2所示 由图可知，在低于额定风速时，为追踪最大风能，根据逆变器输出的电功率可算出当前的参考转速，参考转速与实际转速相比较，可以得到轴的参考电流，调节实际电流跟踪该参考电流值并加上前馈补偿，可图3-2 直驱式风电系统发电机侧变流器控制框图得到轴参考电压。在整个过程中需要保持不变，以此得到的定子端在轴系下的参考电压，进行空间电压矢量控制开关信号，可控整流器调节电机定子端实际输出三相电压跟踪该给定值，即可达到最大风能捕捉的目的。4 网侧PWM控制策略 当PWM电压源型逆变器应用于风力发电系统的并网逆变环节时，连接如图2-4所示，忽略高频分量的影响，推导其并网运行状态下的电压电流特性，得 （4-1） 式中，为并网电流矢量；为逆变器输出的电压矢量；为电网电压矢量；L是每相滤波电感的值。选择坐标系如图4-1所示，两相旋转坐标系中的轴与电网电动势矢量定向，（轴）矢量方向的电流分量定义为有功电流，轴落后轴（轴），轴方向的电流分量定义为无功电流，初始条件下，令轴与轴重合。（4-2） 图4-1 坐标示意图上式中是Park变换矩阵。将乘以式（4-1），当电网三相对称时，得（4-3）整理后可得到坐标系下的并网逆变器数学模型（4-4） 结果表明，只要控制轴电流和轴电流，便可以实现对并网功率和功率因数的控制。电流控制框图可如图图4-2 电流控制框图图4-2中，有功电流和无功电流的给定值由当前的风速和最大功率跟踪算法给出。以有功电流的控制框图为例，根据采集的并网电流进行变换，得到此时的并网电流好轴分量和轴分量。有功电流实际值与有功电流给定值做差后通过环节，再与此时的电网电压的轴分量相加后做为轴电压参考值。无功电流的控制框图与有功电流控制框图相似，最后轴电压参考值和轴电压参考值经反变换后作为PWM逆变器的参考电压。 图4-2 电流控制框图的工作过程如下：假设实际的并网电流、大于给定值，则两者比较后的偏差为正，输出器的输出将不断增大，参考电压的幅值也越来越 大，从而导致并网电流增大。该过程将导致并网电流、逐渐接近给定值，PI调节器的输出将保持动态恒定。电网电压经Park变换后的、作为前馈量，可以减弱或消除电网电压波动和电网电压谐波等因数对并网逆变电流的影响。5 仿真及其结果分析直驱永磁风力发电系统仿真模型见图5-1。利用Matlab/Simulink搭建直驱永磁风力控制系统模型，对网侧变流器和机侧变流器进行仿真。假设在正常情况下电压和频率保持不变，在平波电抗器到电网变压器低压侧添加一个等效负载，用来消耗发电机发送给电网的有功和无功功率。参数设置如下：永磁同步电机的额定 功率为2MW，定子额定电压为690V，定子额定电流1690A，极对数为30，额定转速为16r/min，定子相电阻，直交轴电感分别为，转动惯量为。图5-2是定子电流A相波形图。 图5-2 定子A相电流波形从图中可以看出，在2s时，风速从10m/s上升到12m/s，电流波形幅值增大，定子电流达到额定值，电流波形幅值大约为2800A。由于转速的上升，定子电流频率也会相应增加。 当风速变化时，发电机从叶片上传的有用功也会发生变化，电机速度也会随风速的变化而变化，电机转速随风速的变化如下图5-3。 图5-3电机转速波形 由图5-3可以看出，当风速从10m/s到12m/s时，电机基本达到额定16r/min，它表明当外部风速发生变化时，有系统具有较好的响应速度，并且能很快达到稳定状态。图5-4为有功功率和无功功率波形图。图5-4 有功功率和无功功率波形 由图5-4可知，当风速从10m/ s到12m/s时，给定为0.1倍额定无功功率，达到预期效果，有功功率大约稳定在W，发出有功功率，无功功率也基本保持在附近。6 结语直驱永磁风力发电机在运行过程中产生较大的滞后性，因此在输入条件发生改变时不易实时调整功率输出，且不容易达到稳态。双PWM控制系统通过调节定子侧的电流，使发电机运行在变速恒频状态，额定风速以下具有最大风能捕获；网侧变流器通过调节网侧电流，保持直流侧电压稳定。实现有功功率和无功功率的解耦控制。利用matlab/simulink软件对系统进行仿真，证明了系统理论分析的正确性。说明直驱永磁风力发电机通过控制机侧和网侧的电流可以有效控制无功功率，实现稳定的并网。对今后学习研究永磁风力发电技术具有一定的意义。 参考文献1 孙 兴，张崇巍. PWM整流器及其控制M. 机械工业出版社. 北京：机械工业出版社，2012.2 李建林，许宏华. 风力发电中的电力电子变流技术M. 北京：机械工业出版社，2008.3 张 利，王成福，牛远方. 风电场输出有功功率的协调分配策略J. 电力自动化设备，2012,32(8)：101-