MP-MMC驱动六相永磁风力发电机建模及控制研究

1、 MP-MMC驱动六相永磁风力发电机建模及控制研究 周荔丹 李杏 姚钢 梅柏杉Abstract：The mathematical model of six phase permanent magnetic synchronous generator （PMSG） with winding shifted-phase 30 was established under rotating coordinate based on the vector space decomposition theory. For the control of the multi-phase modular multi

2、level converter（MP-MMC） to drive the multi-phase generator， the MMC topology was extended from three phase to six phase and used to drive six phase permanent magnet wind power generator. And the current decoupling control method was adopted for base-frequency current tracing and harmonics suppressin

3、g. The close-loop control strategy was taken for the MMC internal sub-module capacitor voltage balance and the cycle current restraining. Finally， the simulation model was built under the conditions of steady state and power disturbance. The simulation results show that the system meets concerning s

4、tandard and its robust performance is good. And they verify that six phase PMSG can generate electricity efficiently by MP-MMC driving.Keywords：six phase permanent magnet synchronous generator; modular multilevel converter; vector space decouple; vector control; close-loop control0 引 言随着陆上风电场规模趋于饱和，

5、海上风电由于其资源丰富、对环境影响小、利用率高等优点，已成为新能源发电的主要方式之一，发展远距离大规模化的风电场，实现大功率发电机组高压直流并网成为现阶段研究热点1-3。为了满足大规模海上风力发电的需求，风力发电机组的单机容量和整流变换器功率等级显著提升，电机由传统的三相电机逐步向多相电机方向发展，变流器由普通的两电平、三电平向更高电平方向发展4。大容量、高功率密度风力发电机的高效发电以及大功率变流器高效变换等关键问题的深入研究对超大规模海上风电场的发展具有重要的意义。与三相发电机相比，多相发电机具有转动脉矩小、功率密度高、输出功率大、容错性能良好等优点5-6，已成为未来海上风力发电机的主要选

6、择之一。对多相电机的研究，较为广泛的是双Y移30六相永磁同步电机，此结构与对称六相永磁同步电机相比电流中不含5次和7次谐波。多相电机的建模主要依据两类方法：第一类是基于d-q解耦方法;第二类是基于矢量空间解耦方法7。文献8-9将六相永磁同步电机的六相绕组分别看成两套三相绕组，把六相电机分解成两个三相电机进行分别控制，建立了双d-q数学模型，但该模型忽略了两套电机之间耦合和差异，在两套绕组dq磁链间仍存在着耦合关系10，在此基础上，文献11对建立的双d-q电机模型进行了电流补偿控制，将电流控制器的输出和补偿量进行加和作为参考电压，实现了两套绕组间电流的独立控制。上述文献中采用的双d-q模型可适用

7、于3整数倍相电机。文献10，12基于矢量空间解耦理论，采用推广的Clark变换和Park变换建立了Y移30的六相永磁同步电机解耦模型，实现了电流及电压解耦，但在控制中未消除电网电压扰动和dq轴间的电流耦合。此外，文献13对凸极式六相双Y移30永磁同步电机进行多维矢量建模，提出了一种谐波电流最优化的控制方法。模块化多电平变流器（modular multilevel converter，MMC）作为一种多电平电压源型拓扑，具有输出谐波含量少、控制灵活、易实现低压交流到高压直流转换等优点，因其结构高度模块化，可方便实现电压和功率等级的扩展14，在多电平变流器发展中研究较为广泛，已经成为大功率海上直流

8、输电系统换流站的首选之一15-16。文献17提出了采用MMC驱动飞轮储能系统中的六相感应电机，为MMC在多相电机中的应用提供了可行性依据，并指出采用的MMC拓扑结构，在海上风电大功率、高压直流并网系统直流侧发生低电压穿越时有较好的应用前景。文献18提出了九桥臂MMC拓扑结构，作为中压6相感应电机发电、整流系统，该方案相比正常12桥臂系统，减少25%的功率器件，有效降低系统的复杂性和成本。现阶段多相模块化多电平变流器（multiphase modular multilevel converter，MP-MMC）驅动多相电机系统仍处于前沿阶段，仅文献17-18在感应电机中有所涉及，在多相永磁同步电

9、机中的应用尚处于空白。本文采用矢量空间解耦的方法建立Y移30六相永磁同步发电机解耦数学模型和六相MMC驱动系统的数学模型，并采用载波移相调制技术和电流矢量控制策略对机侧变流器进行控制，实现电机电压电流稳定输出和MMC子模块电容电压平衡。最后通过仿真对模型和控制策略的有效性进行验证。1 系統模型建立图1为六相永磁同步发电机（permanent magnet synchronous generator，PMSG）经MMC整流并汇入直流网系统。其中，MMC子模块采用半桥结构，每相上下桥臂各有N个子模块，C0为子模块直流侧电容，L为桥臂电感，C为公共直流侧电容。1.1 六相发电机数学建模采用中性点不隔

10、离的双Y移30结构的六相永磁同步发电机如图2所示。4 结 论本文对多相PMSG及MP-MMC驱动建模及控制进行了研究，建立了Y移30六相永磁同步电机风力发电经MP-MMC直流并网的系统模型，并采用载波移相调制技术和电流矢量控制策略对系统进行控制。最后在Matlab/SIMULINK中进行仿真，验证模型的有效性。本文的研究表明：所采用的矢量控制策略具有结构简单、控制效果良好等优点，当发电机输入转矩发生阶跃突变时，系统能够较快地达到新的稳定状态，有较好的鲁棒性;也进一步验证了MP-MMC驱动六相永磁风力发电机并直流并网的可行性，为实现海上大功率风力发电高压直流并网研究提供一种可行方案。但本文的研究

11、还只限于基础研究，未来将对发电机在单相缺相、多相缺相等复杂工况下，PMSG-MMC系统容错运行进行深入研究，以完善MP-MMC在多相电机应用中的理论。参 考 文 献：1 HOLTSMARK N， BAHIRAT H J， MOLINAS M， et al. An all-DC offshore wind farm with series-connected turbines： an alternative to the classical parallel AC model J. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 60（6）：

12、 2420.2 王常骐， 郭家虎. 风电场直流并网的拓扑结构研究J.电网技术， 2014， 38（11）： 3065.WANG Changqi， GUO Jiahu. Research on topological structures for DC grid-connection of wind farm J. Power System Technology， 2014， 38（11）： 3065.3 江道灼， 谷泓杰， 尹瑞，等. 海上直流风电场研究现状及发展前景J. 电网技术， 2015， 39（9）： 2424.JIANG Daozhuo， GU Hongjie， YIN Rui， e

13、t al. Research status and development prospects of offshore wind farms with pure DC systems J. Power System Technology， 2015， 39（9）： 2424.4 邓孝祥， 戴超凡. 5 MW中压直驱风电变流器控制系统设计J. 哈尔滨理工大学学报， 2018， 23（6）： 70.DENG Xiaoxiang， DAI Chaofan. Design of control system for 5 MW medium voltage direct-driven wind powe

14、r converter J. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2018， 23（6）： 70.5 高宏伟， 杨贵杰， 刘剑，等. 三次谐波注入式五相永磁同步电机气隙磁势分析J. 电机与控制学报， 2013， 17（10）： 1.GAO Hongwei， YANG Guijie， LIU Jian， et al. Air-gap MMF analysis for five-phase PMSM with third harmonic injection J. Electric Machines and Control

15、， 2013， 17（10）： 1.6 MEKRI F， BENELGHALI S， BENBOUZID M. Fault-tolerant control performance comparison of three-phase and five-phase PMSG for marine current turbine applicationsJ. IEEE Transactions on Sustainable Energy， 2013， 4（2）： 425.7 姚钢， 殷志柱， 周荔丹，等. 六相永磁同步发电机的容错控制J. 电机与控制学报， 2018， 22（5）： 2.YAO Gang， YIN Zhizhu， ZHOU Lidan， et al. Fault-tolerant control of six-phase permanent magnet synchronous generator J. Electric Machines and Control， 2018， 22（5）： 2.8 KARTTUNEN J， KALLIO S， PELTONIEMI P， et al. Dual