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风力 发电 控制系统 研究 综述

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总第 5 O卷第 5 6 6期 2 0 1 3年第 2期 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I ns t r u me n t a t i o n VoI 5 0 No 5 6 6 F e b 2 0 1 3 基于V i e n n a 整流器的直驱风力发电控制策略研究 侯圣语， 刘建坤 ( 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐 州 I 2 2 1 1 1 6 ) 摘要： 研究了基于Vi e n n a 整流器的直驱风力发电系统的控制原理及实现， 分析了V i e n n a 整流器的拓扑结构及其 T作原理， 研究了空间矢量脉宽调制的脉冲实现方法 ， 描述了永磁同步电机在两相同步旋转坐标系下的数学模 型 、 永磁发电机采用恒定子磁链控制策略和基于最佳叶尖速 比的最大风能跟踪方法。基于以上理论 ， 搭建了整 个系统的MA T L A B S I MU L I N K 仿真模型 ， 仿真结果表 明了基于V i e n n a 整流器的直驱风力发电系统拓扑结构及其 控制策略是有效的。 关键词 ： V i e n n a 整流器； 永磁 同步发电机 ； 风力发 电； S V P WM； MA T L A B 仿真 中图分类号 ： T M6 1 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 3 2 0 5 St ud y o n Co n t r o l St r a t e g y f o r Di r e c t - Dr i v e n W i n d Ge ne r a t i o n S y s t e m Ba s e d o n Vi e n na Re c t i fie r HOU S h e n g y u ， L I U J i a n k u n ( S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Abs t r a c t ： T he c o n t r o l pr i n c i p l e a n d i mpl e me nt a t i o n o f t h e di r e c t d r i v e wi nd po we r g e ne r a t i o n s y s t e m ba s e d o n Vi e nn a r e c t i fie r a r e ma i n l y s t u d i e d i n t h i s p a p e r T he t o p o l o g y a n d wo r k i n g p r i n c i pl e o f Vi e n na r e c t i fie r a r e a na l y z e d ，a n d i t s i mpl e me n t a t i o n me t h o d o f s p a c e v e c t o r p ul s e wi d t h mo d u l a t i o n i s r e s e a r c h e dP e r ma ne nt ma g n e t s y n c hr o n o u s g e ne r a t o r S ma t h e ma t i c a l mo d e l i s d e s c r i b e d o n t wo p ha s e s y n c hr o n o u s r o t a t i n g c o o r d i n a t e s Th e c o ns t a n t s t a t o r fl ux l i n ka g e c o n t r o l s t r a t e g y a n d t he me t h o d o f ma x i mu m wi nd p o we r p o i n t t r a c ki n g ba s e d o n o p t i mum t i p-s p e e d r a t i o a r e a do pt e d i n PMSGBa s e d o n t h e t h e o r i e s ，a MATLAB S I MUL I NK s i mu l a t i o n mo de l o f t he wh o l e s y s t e m i S e s t a b l i s he d T he r e s u l t s h o ws t ha t t he r e l i a b i l i t y a n d e ffi c i e n c y o f t he t o p o l o gy a n d c o n t r o l s t r a t e g y o f t h e d i r e c t -d r i v e wi nd p o we r g e ne r a t i o n s y s t e m K e y wor ds： Vi e n n a r e c t i fie r ，PMS M，wi n d g e n e r a t i o n，S VP W M， MATL AB s i mul a t i o n 0引 言 基于Vi e n n a 整流器 的直驱风力发 电系统的拓扑 结构如图l 所示 ，三电平整流器由于有直流母线电压 中点 ， 每个功率开关器件承受 的电压只有直流母线 电 压的一半 。与常规两电平整流器相 比， 采用相同电压 等级 的功率开关器件 ， 可 以实现两倍的直流母线输 出 电压 ， 并且需要的功率开关器件只有三 电平N P C 整流 器的一半。当功率开关器件开通时 ， 连接直流母线 的 功率二极管能够阻断直通电流 ，不需要死 区时间， 具 有较高的可靠性 。 1 V i e n n a整流器拓扑结构及其工作原理 如图2 所示 ， V i e n n a 整流器 由i相桥臂构成 ， 其中 一3 2一 图 1 基 于V i e n n a 整 流 器的直驱 风 电拓扑 结构 Fi g 1 Di r e c t -Dr i v e n wi nd g e n e r a t i o n s y s t e m b a s e d o n Vi e nn a r e c t i fie r 每相桥 臂包括 四个功率二 极管器 件和两 个全控 型 I G B T 功率器件 。例如0 相桥臂 ， 当S 1 1 ， S 1 2 开通 时， 该 整流器 的输入端“ 被箝位于直流母线 中点0 ； 当S 1 1 ， 总第 5 O卷第 5 6 6期 2 0 1 3年第 2期 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I n s t r ume n t a t i on V0 1 5 O No56 6 Fe b 2 01 3 图2 V i e n n a整 流 器拓 扑结构 图 Fi g 2 To po l o g y s t r u c t u r e c h a r t o f Vi e nn a r e c t i fie r S 1 2 关断时 ， 输入端12 , 电压是+ 【l ( 2 或一 2 ， 电压符号 取决于a 相 电流的方向。即 电流方 向为正时 ， 输入 端u 通过 D 1 1 和D1 2 箝位到直流母线的正极 ； a 相 电流 方向为负时， 输入端 通过D1 3 和D1 4 箝位到直流母线 的负极 。可 以看出 ， a 相桥臂包含三个开关状态“ 1 ” ， “ 0 ” ， “ 一 1 ” ，即整流器的输入端u 被相应 的箝位于直流 母线的正极 ， 中点和负极 。同理 ， 可以相应的分析b 、 c 两相桥臂 。V I E N N A 整流器能够生成 1 9 个不同的电压 矢量 ， 其开关状态及电压矢量如 图3 所示 。 ( a ) 开关状 态 ( b ) 电压矢量 图3 V i e n n a 整流器的开关状 态及其 电压矢量 图 Fi g 3 S wi t c h s t a t e s a nd v o l t a g e v e c t o r s d i a g r a m o f Vi e n n a r e c t i fie r 2 Vi e n n a整流器的空间电压矢量调制 三电平整流器在实现电压调制时 ， 将电压矢量 由 复杂的三电平平面等效到两电平平面中， 然后依照成 熟的两电平S V P WM 方法来生成脉冲。三电平电压矢 量平面可 以分解成六个两电平平面 ， 在三电平N P C 整 流器 中， 由参考 电压矢量来判断其所在的两电平。而 V i e n n a 整流器的大扇区由实 际电流矢量来判断 ， 计算 所在的两电平 ， 再 由电压矢量判断所在 的小扇区一 。 V ie n n a ,流器在实现电压调制时，必须使电压矢 量和电流矢量同极性。 根据电流矢量的极性不同， 可把 三电平平面分解成6 个大扇 区， 用符号N 对 电流矢量所 在的大扇区进行编号 ， 如图3 ( b ) 所示 ， 编号依次为 I、 、 、 、 V、 。 用符号r t 对电压矢量所在两电平平面 中的小扇 区进行编号 ， 编号依次为1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 。 当电流矢量i 胡 处于第 1 扇区时 ， 电压矢量 胡 可调 制的范围为第 1扇 区区域 ， 即图3 ( b ) 所示 的阴影部 分 ， 如果 电压矢量超过 了此 区域 ， 就会 出现过调制现 象 。依次分析 ， 当电流矢量处于其他扇区时 ， 处 于第N 个两电平平面 内的电压矢量是可调制的 。 当参考 电压矢量 和实际 电流矢量i 均处于第 1 个两 电平平面的第1 扇 区时 ，按照空间矢量脉 冲宽 度调制中常用的七段法，选择电压矢量的顺序依次 为 ： 1 0 0 、 1 0 1 、 1 1 1 、 0 1 1 、 l 一 1 1 、 1 0 1 、 1 0 0 ；与 电 压矢量相对应 的开关状态依次为： 0 1 1 、 0 1 0 、 0 0 0 、 1 0 0 、 00 0、 01 0、 O1 1 。 3 永磁同步电机的数学模型及恒定子磁链控制策略 在建立永磁同步 电机 的数学模 型时 ，假设满足 以下条件 ， 即 ： ( 1 ) 永磁电机定子三相绕组对称 ， 定 子感应 电动势是正弦的； ( 2 )忽略铁心磁饱和对永磁 电机的影响以及磁滞 、 涡流损耗 ； ( 3 ) 永磁电机的永磁 材料电导率为0 。 把d 轴的正方 向定 向在电机永磁体 的 基波磁场方向上 ， 口 轴超前d 轴9 0 。 电角度。 利用坐标变 换 ，将永磁 同步 电机 的数学模型由a b c 三相静止坐标 系变换至幽两相同步旋转坐标系下 ， 其 电压方程为 ： R 警 R s M 一 +L 鲁 oL i + w oOoL i + w oO f M 一 s 扎 f 式 中 U s d , 为等效 的交直轴 电压分量 ； 0 9 为永磁 电机 转子旋转的电角速度， 单位为r a d s ； R 口 为永磁电机每相 定子绕组的电枢电阻。 永磁电机的电磁转矩为 ： T= p ( a i - 4 , i s ) = p ( 一 L sd ) L s d + ( 2 ) 一 总第 5 O卷第 5 6 6期 2 0 1 3年第 2期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e as u r e m e n t& I n s t r u m e nt at i o n Vo 1 5 O No56 6 Fe b 2 01 3 感 一 = 1 3 mH，定子绕组等效电阻 = O 0 0 6 6 5 ； 永 磁体磁链q tf- -_ 7 8 Wb ； 电机极对数N = 3 0 。 网侧变流器的仿真参数 ：额定功率P N = 2 WM， 额 定电流I N = 1 7 5 0 A； 电网电压 U = 6 6 0 V， 频-f ： 5 0 Hz ； 输 入电抗L = 0 1 5 mH， X = w L = 0 0 4 7 1 1 2 ； 直流母线 电压 = 1 I O O V， 直流母线电容C ： C 2 ： 0 0 3 F 。 图6 为永磁发电机侧变流器 的仿真结果 。图6 ( a ) 三 量 。 ， 一 。 - 0I I 。 - l l I ， - I - t s ( a ) 风速波形 o P t 厂 ， ， f S ( b) 发 电机转速 和 目标转速波形 、 r j | ， 一 + l 一 i q i s t l s ( c )电流 、 i 的给定 和反馈 f ， S ( d ) 机端输出 电压和 电流 图6 机侧 变流器仿真结果 Fi g 6 S i mu l a t i o n r e s u l t o f g e n e r a t o r s i d e r e c t i fie r 为风速波形 ， 风速从0 开始逐渐上升至1 3 m s ； 0 0 I s 内 发电机在风机 的带动下空载运行 ， 0 1 s 时刻 ，并 网运 行， 发电机的输出功率随转速不断增加， 最后运行至 满载状态。0 8 s 时刻， 风速开始逐渐下降至9 m s ， 1 6 s 时刻 ， 风速开始逐渐恢复至1 3 s 。图6 ( b ) 为发 电机转 速波形与最优化的 目标转速波形 ， 可以看出发电机转 速稳定跟踪最优化的目标转速， 表明基于最佳叶尖速 比的风能最大跟踪方法是十分有效 的， 实现了对发 电 机转速的良好控制 。 图6 ( e ) 为发电机定子电流 i 分 t s ( a ) 电网侧三相电流 1 1 1 之 砉 ( b ) 瘌 电压 、 电流 风速 上升! 额定 风速1 3 m s _、 r ， 一弋 ， ： 风速减 、 罕9 r T s 风谏恸 F 钉 1 3 m t s ( c ) 直流母线电压 _ -一。 u i 厂 ， l 1 j M 呐 W I 8 r1 i r 1 ll1 1 f I l I f s ( d ) 直 流母线 电容c1 、 c 2 的 电压差 图7 网侧 变流器仿真结果 Fi g 7 S i mul a t i o n r e s u l t o f g rid-s i de i n v e r t e r 一3 5一 0啪m啪 伽 C 嚼 4 2 0 8 6 4 2 0 一 s 吕 伽枷咖姗咖伽 瑚o p 0 加 总第 5 O卷第 5 6 6期 2 0 1 3年第 2期 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I ns t r u m e nt a t i o n Vo1 5 0 No 5 6 6 Fe b 2 0 1 3 量的给定与反馈 ， i s d i 的给定值 由给定 的电磁转矩按 照恒定子磁链控制算法计算得 出， 可以看出电流波形 跟踪性能较好 。图6 ( d ) 为发 电机 的三相电流波形 ， 电 流波形正弦化 ， 其性能接近 四象限运行的三电平变流 器的性能。 图7 为电网侧变流器的仿真结果。图7 ( a ) 为电网 侧的三相电流波形， 图7 ( b ) 为电网侧的a 相电压和电 流波形 ， 可 以看 出并 网电流波形实现正弦化 ， 而且 网 侧电压、 电流相位相反， 基本实现了单位功率因数并 网。图7 ( e ) 为直流母线 电压波形 ， 通过网侧变流器的 电压外环控制 ， 直流母线电压基本稳定 。在0 I s 时刻 发电机并 网运行 ， 由于给定风速线性上升 ， 输入功率 以风速的三次方增加 ， 而电压外环和电流内环的P I 调 节器需要一定的响应时间且滞后 ， 因此， 在风速线性 上升的过程中， 网侧变流器的逆变功率一直低于发电 机的输 出功率 ， 导致直流母线电压 持续上升 ， 在0 8 s 和 1 6 s 时刻 ， 由于给定风速变化造成 网侧和机侧 的输 出功率不平衡， 直流母线电压出现一定的波动。 从图7 ( d ) 可以看出， 中点电位波动控制在一定范围之内。 6 结束语 对于无需能量双向流动的直驱风力发 电系统 ， 机 侧变流器采用V i e n n a 结构 ， 节省了功率器件 ， 具备双 三电平变流器 的优势 ， 提高了系统 的稳定性。采用永 磁发电机恒定子磁链控制 ，通过MA T L AB S I MU L I N K 仿真平 台搭建了直驱风电变流器 的仿真模型 ， 仿真结 果验证了所采用的变流器拓扑结构和控制方法是正 确有效 的， 系统具有 良好的稳态性能和动态性能。 参 考 文 献 1 王正 谭 国俊， 曾维俊， 等 基于S V