直驅型永磁風電機組并網控制系統的研究

謝維

（1.北京工業大學，北京100124；2.北京電子科技職業學院，北京100176）

直驅型永磁風電機組并網控制系統的研究

謝維1,2

（1.北京工業大學，北京100124；2.北京電子科技職業學院，北京100176）

對直驅型永磁風電機組并網控制系統工作結構與原理進行討論，并研究變流器電機側與電網側的并網控制電路與控制策略。應用并聯多變流器的方法，采取電網電壓定向的電流、電壓雙閉環矢量控制模式，設計逆變并網控制?；趯?直-交背靠背雙PWM變流器的控制，運行軟件仿真了690V/2.5 MW直驅型永磁風電機組的變流器并網過程。實驗結果表明，控制電路與策略正確有效，并網變流器能進行雙向的能量傳遞，并且具有良好的靜動態特性。

直驅型風電機組；永磁同步發電機；并網；變流器；矢量控制

風能是不可調度、不可控的隨機能源，在并入電網之后，風力發電引起電網功率與電壓的波動，會影響電網運行的穩定性[1-4]。在風力發電機組并入電網運行時，有兩種恒頻并網方法：（1）恒速恒頻，即風機發電過程中，發電機轉速保持不變，所得到電能是恒頻的；（2）變速恒頻(variable speed constant frequency，VSCF)，即風機發電過程中，可隨風速改變發電機轉速，在這種方式下，電網與發電機之間須增加并網變流器，從而使所得到電能是恒頻的[5]。變速恒頻方法可使風能捕獲達到最大限度，所以大功率風電機組都采取變速恒頻控制系統。傳統的風力發電是恒速系統并網方式，一般采取異步電機，該并網方法在國外如丹麥等非常流行[6]；這種方式盡管控制簡單，卻無法進行最大風能追蹤，維修保養費用高，風速改變給機電設備造成很大的沖擊。變速恒頻方式可以使風力機輸出獲得最大功率，從而使風能捕獲達到最大限度，并且因為采取并網變流器而令電能質量大大提高，故而大功率的風電機組控制系統普遍使用變速恒頻并網方式[7]。

當今風電機組有兩大類變速恒頻的方式：變頻器+雙饋發電機并網控制，以及變頻器+直驅永磁發電機并網控制。前者技術成熟，但是存在維護不便、控制復雜、制造發電機困難等問題；而后者具備有益于電網穩定安全運行、利用風能效率高、控制簡便等優勢，代表了未來風力發電技術的發展方向。直驅型變速恒頻風電機組對變流器控制從而實現有功無功解耦控制，對電網的沖擊減少。直驅型風電機組要用到全功率變流器，由于受到器件的開關頻率、功率水平等因素制約，要對多變流器進行并聯以滿足大電流、低電壓、大功率的要求。國內的兆瓦級并網變流器研究起步較晚，基于對直驅型永磁風電機組并網控制系統的研究，本文研制了690V/2.5 MW直驅型永磁風電機組并網變流器，并進行了相應的研究實驗。

1 系統的組成與結構

本文設計的MW級直驅型永磁并網變流器控制系統結構見圖1，發電機發出的能量被傳送到交流電網。直流是由C1、C2濾波，直流能量是由T1、R1與T2組成電路泄放，主要用于模塊安全保護，即直流電壓太高時泄放能量。

圖1 直驅型風電機組并網控制結構圖

如圖1所示，采用二PWM的雙重化變流器的主電路結構，變流器由4個750 kW模塊組成。電機繞組的輸出連接到其中的PWM1、PWM2，而PWM3、PWM4先經由LCL濾波及T變壓器再并聯電網。通過對2個PWM三相全橋逆變電路的控制，在載波信號之間產生一定相位差，從而使2個PWM三相全橋逆變電路以二重化方式工作。電網側變流器單元共用直流母線，通過電抗器連接。直流側電壓在正常工作時是1100V，交流輸出電壓是690V。

二重化方式的采用能使濾波電抗器容量減小、等效開關損耗降低、開關頻率提高，還避免了器件并聯帶來的均流問題，控制方式靈活，擴容方便，模塊化設計簡單。

2 電機側變流器控制策略

采用矢量控制作為電機側變流器的策略，其基本控制思想是：模擬控制直流電機的方法，即經過正交變換按照功率與磁勢的不變原則，把靜止三相坐標系轉化成旋轉兩相垂直坐標系。把定子電流矢量在坐標系里分解為2個依據轉子磁場定向的直流分量、，它們分別是轉矩電流分量與勵磁電流分量。電機側變流器控制結構見圖2。為了實現轉矩與磁鏈的解耦控制，分別對2個直流分量進行控制，調速的效果可與直流電機媲美。

圖2 電機側變流器控制圖

文中采取的空間矢量移相技術，是在傳統的空間矢量三相控制技術基礎之上，結合定子繞組的電機空間結構而完成，因而實現相對簡單，并且接近空間矢量解耦技術的控制效果。

3 電網側變流器控制策略

存在2個對電網側的控制目標：（1）保持直流電壓恒定；（2）并網單位功率因數。采用電流、電壓雙閉環的策略，以達到所述的控制目標。根據基爾霍夫定律在旋轉兩相垂直坐標系下，可得參考坐標系下PWM變換器存在以下關系：

圖3 電網側變流器控制圖

各變流器采用獨立的電流指令控制方式，實現雙重化電路的控制電路。各變流器的電流指令和電流輸出作減法，通過PI型控制器產生調制波，再跟載波三角波信號作比較，分別各自生成PWM控制信號。其中需要注意錯開2個單元載波信號180°，圖3是一個PWM單元控制策略的舉例說明。

可以采用SVPWM或者SPWM來對電網側控制，采用SVPWM可以使直流電壓利用率提高，因此采用移相SVPWM作為電網側的控制策略。內環是電流環，按照外環電壓輸出的指令電流進行電流的相應控制，例如實現無功補償、單位功率因數等；外環是電壓環，以使直流母線的電壓維持穩定，其輸出用作指令有功電流的信號。對變流器并網進行雙環控制系統設計時，一般由內到外，采取先內環電流設計再外環直流電壓整定。因為存在電流內環，只需限幅指令電流就能完成過流保護。通常把無功電流給定指令為0，從而實現單位功率因數的控制。

在系統中采用了直接電流控制，由于把交流側的電流反饋引入，因而能實現快速響應。對電流的控制也是在坐標系里完成的。

在電網電壓定向基礎上的電流、電壓雙閉環矢量控制方案，是電網側的變流器控制策略。仿真和建模實驗結果使模型的有效性、正確性得到驗證，證明其完成了無功與有功解耦控制，電網饋入的諧波畸變率微小，注入電網的是正弦波電流。

4 控制系統總體設計

2.5MW變流器并網控制系統的總體結構主要包括3個部分：遠程監控、系統邏輯控制與變流器控制，如圖4所示。最高層級的控制是遠程監控，作用是控制與監視風力發電裝置的整體運行狀態。采用PLC可編程序控制器作為系統邏輯控制的控制核心，主要完成機械和電氣設備的邏輯控制、保護系統及處理故障等。變流器控制主要采用TMS320F2812芯片作為DSP處理器，完成算法控制、生成PWM脈沖及系統保護等。

圖4 控制系統總體結構

本系統的核心是設計驅動電路，整個系統全部選用IGBT作為開關器件，所以對于系統的可靠、穩定、安全運行來說，IGBT保護電路和驅動電路的設計有重要意義。本文中的關鍵是設計和選取驅動電路，智能化IGBT采用Concept瑞士公司所產的SCALE驅動板2SD315AI，可以驅動2單元1700V/ 1200A的IGBT。為了使逆變器運行正常，須設計必要的保護電路，本系統中除了在驅動模塊內已經集成了欠壓監測、過流與短路保護等功能，另外還設計了電網斷電、IGBT過熱、過電流、過電壓等相對完善的保護。

5 實驗結果與分析

采用前文介紹的控制策略與主電路結構，研制出一臺2.5 MW的直驅型永磁風電機組的并網控制系統，并開展了研究實驗。同時采用環流實驗，驗證其在大功率下的運行特性。

實驗電路的原理見圖5，其中一個變流器的控制采用電流環，在逆變狀態工作，用于確定環流功率大??；另一個變流器控制采用雙閉環，在整流狀態工作，用于直流電壓穩定。由于采用的調制方式不同，進行環流功率實驗時，流過2個變流器的電流波形也不同。當調制方式采用SVPWM時，3次諧波電流將流過2個變流器的電流中。而當調制方式采用SPWM時，只有開關次紋波與基波存在于每個變流器的三相電流中。故此，采用SPWM調制方式用于環流功率時。

圖5 環流功率電路原理圖

在實驗時交流電壓690V，直流電壓是1100V。900A電流時逆變側電壓與電流的波形如圖6所示，其中經過電壓互感器后的副邊電網a相電壓波形是a，跟a相電壓同相。圖6顯示，a相逆變側電流與電網a相電壓反相，說明系統運行在單位功率因數；經過分析諧波，電流值是3.8%。圖7顯示出直流母線在穩態時的電壓波形。

圖6 功率環流電流電壓波形

圖7 直流母線的電壓波形

6 結語

本文闡述了直驅型永磁風電機組并網控制系統的控制策略和結構，采用雙重化的二PWM變流器方式，開展了研究實驗，研制出690V/2.5 MW風電機組并網控制系統。實驗結果與分析說明，采取該控制電路與控制策略的風電系統，能完成無功功率與有功功率的解耦控制，通過并網變流器進行雙向的能量傳遞，并網特性優異，諧波成分少，電網的注入電流為正弦波，具有實用前景與應用價值。

[1]MORREN J,DE H S W.Ride through of wind turbines with doubly fed induction generator during a voltage dip[J].IEEE Transactionson Energy Conversion,2005,20(2):435-441.

[2]李建林，許洪華.風力發電中的電力電子變流技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3]漆良波，劉志剛，沈茂盛.新型風力發電能量變換聯網系統的研究[J].電氣技術，2006(1)：48-51.

[4]邵桂萍，姚紅菊，趙斌.兆瓦級變速恒頻風力發電機組控制系統的研究[J].儀器儀表學報，2006，6：461-464.

[5]包來，林成武，程利民.電流跟蹤控制的風力發電并網逆變器研究[J].電力電子技術，2008，42(6)：53-55.

[6]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，2002.

[7]張枝茂，茆美琴，劉福炎，等.小型并網永磁直驅風電系統控制的研究[J].微電機，2011，44(10)：47-50.

Research on grid-connected control system for direct-drive permanent-magnet wind turbine

XIE Wei1,2

The system working structure and principle of grid-connected control system for direct-drive permanent-magnet wind turbine were discussed,and control circuits and strategy of generator and grid sides were studied.Usingmulti-parallel connection converters,current based on beamed grid voltage and double-closed-loop vector controlmode,the grid inverter control was designed.By controlling theAC-DC-AC double PWM converter, on this basis,a unit generator process of grid-converter for 690V/2.5 MW direct-drive permanent-magnet wind turbine was simulated.Experimental results show that the control circuits and strategy is effective and correct,the power can flow from the generator to supply or the reverse direction,the generator controlhas excellent static and dynamic performance.

direct-drive wind turbine;permanent-magnet synchronous generator(PMSG);grid-connected;converter; vector control

TM 315

A

1002-087 X(2014)10-1907-03

2014-03-20

北京電子科技職業學院重點課題(YZKB2013010)

謝維(1971—)，男，陜西省人，博士，教授，主要研究方向為可再生能源發電并網技術、智能電網體系架構、電力系統運行與控制。