小型并网永磁直驱风电系统控制的研究

Ｏ期　第４４卷　第ｌ２０１１年　徽１ｌ！机　ＭＩＣＲＯＭ０ＴＯＲＳ　ＶｏＩ｜４４．Ｎｏ．１０　０ｃｔ．２０１ｌ　ｌ０月　小型并网永磁直驱风电系统控制的研究　张枝茂，茆美琴，刘福炎，张邵波　（合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心，合肥２３０００９）　摘要：该文讨论了一种低成本的小型并网永磁直驱风力发电系统。该系统由永磁同步发电机（ＰＭＳＧ）、二极管整　流电路、Ｂｏｏｓｔ斩波电路和三相电压型ＰＷＭ逆变器组成。通过控制Ｂｏｏｓｔ斩波电路，实现风力发电系统的最大功率　跟踪。利用电网电压定向控制技术控制三相电压型ＰＷＭ逆变器，采用双闭环矢量控制结构，调节直流电压并控制　流向电网的无功功率。最后，以１５　ｋＷ的样机的实验结果验证了系统控制策略的可行性。　关键词：风力发电；永磁同步发电机；Ｂｏｏｓｔ变换器；电网电压定向控制　中图分类号：ＴＭ３５１；ＴＭ３１５；ＴＭ３４１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—６８４８（２０１１）１０—００４７—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａ　Ｓｍａｌｌ　Ｓｃａｌｅ　Ｇｒｉｄ．ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅ　Ｗｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｉｍａｏ，ＭＡＯ　Ｍｅｉｑｉｎ，ＬＩＵ　Ｆｕｙａｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈａｏｂｏ　（Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒｆｏｒ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＭＯＥ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ｓｍａｌｌ　ｓｃａｌｅ　ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｄｉｒｅｃｔ—ｄｒｉｖｅ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｉｓ—　ｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ａ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ—ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＰＭＳＧ），ａ　ｄｉｏｄｅ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ，ａ　Ｂｏｏｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ａ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ＰＷＭ　ＶＳＩ．Ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｂｏｏｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅ　ＰＷＭ　ＶＳＩ　ｉｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｇｒｉｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｏ　ｒｅｇｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｄｃ　ｖｏｌｔ—　ａｇｅ　ａｎｄ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｕｔｐｕｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ　ｕｓｉｎｇ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐｓ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｓｃａｌｅｄ　１５　ｋＷ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｖａｌｉｄａｔｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ；ＰＭＳＧ；ｂｏｏｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｇｒｉｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕ　引　吾　随着化石能源的日益消耗，以风力发电为代表　的可再生能源越来越受到重视。目前大型风电系统　多建立在年平均风速在６　ｍ／ｓ以上的地区。对于年　平均风速较低的地区，适宜推广小型风力发电系　统¨　。现有的小型风力发电系统多采用离网运行方　技术的快速进步，使得小型风电系统朝着多能源复　合发电微网系统发展。在微网系统中，风力发电系　统的控制器也可以按照并网发电系统的参数进行设　计。因此研发低成本、高可靠性的小型并网风力发　电系统有着十分重要的意义。　目前并网直驱风力发电系统多采用基于背靠背　双ＰＷＭ电压型变流器的结构，但其拓扑结构及控制　都比较复杂，成本也很高，并且在风速较低时风能　式，独立地向负载供电。为了保证供电的连续性，　离网的系统需采用蓄电池。由于发电机为低压蓄电　池而专门设计（如５Ｏ　Ｖ），发动机电流大、效率低、　在变风速情况下运行范围窄、不能有效地利用风能。　如果发电机采用正常电压设计（如２８０　Ｖ），不但可　的利用率受到限制，不太适合小型并网风电系统。　因此，本文采取另一种基于电压型变流器的结构，　即基于二极管整流器＋Ｂｏｏｓｔ斩波电路＋三相电压型　ＰＷＭ逆变器的小型并网风力发电系统。其控制系统　分为Ｂｏｏｓｔ斩波电路和电压型ＰＷＭ逆变器的控制两　部分，Ｂｏｏｓｔ斩波电路控制负责实现最大功率跟踪，　电压型ＰＷＭ逆变器则负责稳定直流电压并实现向电　以提高效率，扩展运行范围，而且可以使许多独立　供电系统部件与并网发电系统的部件相同，进而降　低整机成本，促进产业化。同时，随着分布式发电　收稿日期：２０１１—０１—０７　基金项目：科技部国际合作项目（２００７ＤＦＡ７１３４０）。　作者简介：张枝茂（１９８６），男，硕士研究生，研究方向为风力发电技术。　茆美琴（１９６１），女，教授，主要从事为电力电子技术在可再生能源发电系统中的应用、太阳能／风能发电系统　ＣＡＤ及仿真等方面的研究。　・钳・　教＇ｌ｝　磁链。　『　【　４４卷　网输送的有功功率和无功功率的解耦控制。采用上　述结构的小型并网风力发电系统，结构简单，控制　＝Ｌｄｉ　＋　＝Ｌｑ灵活，成本较低，可靠性高，风速利用范围大，是　一ｉ钾　）＝　（３）　种性价比较高的方案。　永磁同步发电机的电磁转矩方程为：　Ｔｅ＝１．５ｐ（　一　１　系统的结构与组成　小型并网永磁直驱风力发电系统的主电路如图　１所示。系统由风力机、永磁同步发电机（ＰＭＳＧ）、　１．５ｐ［ｑ：ｍｉ即＋（三ｄ—Ｌｑ）ｉｇｉ卵］　式中，Ｐ为发电机极对数。　（４）　对于隐极式永磁同步发电机，　和　。相等，所　以可将式（４）化简为：　Ｔｅ＝１．５ｐ　ｉ　（５）　二极管整流电路、Ｂｏｏｓｔ斩波电路、三相电压型　ＰＷＭ逆变器（ＶＳＩ）和滤波电路组成。风力机直接驱　动永磁同步发电机旋转，输出变压变频的交流电。　整流部分采用二极管整流电路方案，将永磁同步发　电机发出的交流电压整流成脉动的直流电压。整流　后的电能经过Ｂｏｏｓｔ斩波电路升压稳定后，再通过三　相电压型ＰＷＭ逆变器和滤波器送人交流电网中。由　于发电机的输出电压随着风速的起伏而上下波动，　经二极管整流电路整流后的直流电压也随之波动。　当风速较低时，可能会低于逆变器并网所需的直流　电压。因此需要在二极管整流器后增加Ｂｏｏｓｔ斩波电　路，将直流电压升高并稳定在适合并网的范围之内，　以提高系统的风能利用率　Ｊ。　图１　小型并网直驱风力发电系统的主电路　２永磁同步发电机的数学模型　对于永磁同步发电机而言，满足如式（１）所示　的电压方程：　＝Ｒ　７　＋ｐ　（１）　式中，　为定子电阻；　、了　为定子电压、电流的　空间矢量；　为定子磁链的空间矢量；Ｐ为微分　算子。　根据转子磁场定向控制的原理，将式（１）转化　为在ｄ—ｑ坐标系下的模型　：　ｇｄ＋ｐ　一　…　【Ｉｔｇｇ＝Ｒｉｇｑ＋ｐ　一ｆｏ　式中，ｕ　、“聊和ｉｇｄ、Ｌ‘ｇｑ分别为定子电压和电流的ｄ　轴分量与ｑ轴分量；　为发电机同步电角速度；定　子磁链的ｄ轴分量与ｑ轴分量　和　分别如式　（３）所示，其中　，　。分别是发电机同步电感的ｄ　轴分量及ｇ轴分量，　是由转子永磁体产生的　由式（５）可知，电磁转矩与定子ｑ轴电流成正　比。由于Ｂｏｏｓｔ斩波电路的输入侧有储能电感，对整　流器呈现电流源负载特性。若忽略发电机定子电流　中的谐波成分，控制Ｂｏｏｓｔ斩波电路的直流电流的平　均值，即可控制定子电流，进而可控制发电机的电　磁转矩和转速　Ｊ。　３　Ｂｏｏｓｔ斩波电路的控制　图２为不同的风速下，风力机的输出功率与转　速的特性曲线。由图２可知，当风速一定时，发电　机总存在一个最佳转速，在该转速下，系统捕获的　风能最大　ｊ。将不同风速下的最大功率点连接起来，　如图中虚线所示，就得到系统的最大功率曲线。最　大功率跟踪控制的目的就是控制风力机始终在最大　功率曲线上运行，以最大限度的捕获风能。　图２不同的风速下，风力机的输出功率　与转速的特性曲线　本文采用查表法控制Ｂｏｏｓｔ斩波电路实现最大功　率跟踪。将图２中的最大功率曲线做成表格，得到　不同风速下风力机的最大输出功率。通过风速计测　得风速，在表格中找出对应的最大输出功率Ｐ２，，　作为系统的参考功率。　忽略损耗，风力发电机的输出功率Ｐ为：　Ｐ＝　１，　（６）　式中，　。为整流电路的乎均输出电压；Ｉｘ　为Ｂｏｏｓｔ　斩波电路的平均直流电流。　由式（６）可知，当系统运行在最大功率状态时，　１０期　张枝茂等：小型并网永磁直驱风电系统控制的研究　・４９・　Ｂｏｏｓｔ斩波电路的直流电流应为：　＝Ｐ　／　。　（７）　将　作为Ｂｏｏｓｔ斩波电路的直流电流的参考值，通　过控制Ｂｏｏｓｔ斩波电路开关管的导通比，使得直流电　流，ｄ　跟踪　，即可实现最大功率跟踪。Ｂｏｏｓｔ斩波　电路的整体控制框图如图３所示。　ｐ［耋］＝一　［§三；］［　ｉａ：］＋丢Ｌ～－Ｖｓ—ａ］　，　图３　Ｂｏｏｓｔ斩波电路的控制框图　４　电压型ＰＷＭ逆变器的控制　电压型ＰＷＭ逆变器负责控制直流侧电压及调节　流向电网的无功功率，利用电网电压定向控制技术，　实现了并网有功功率和无功功率的解耦控制。其控　制系统采用双闭环结构，包括电压外环和电流内环。　４．１电网电压定向控制　假设电网为无穷大电网，电网电压是严格的正　弦波，利用锁相环技术（ＰＬＬ）获得电网电压的频率　及相位，将电网侧同步旋转坐标系的ｄ轴与电网电　压矢量的方向对齐，ｑ轴超前ｄ轴９０。，建立同步旋　转坐标系。在该坐标系下，电网电压矢量的ｄ轴分　量　。和ｑ轴分量　分别如式（８）所示　：　｛ｒＶ，＝Ｖ　　“　（８）　【　＝０　式中，　为电网电压矢量的幅值。　在同步旋转坐标系下，流向电网的有功功率和　无功功率分别如式（９）所示：　ｆＰ０＝　・５（　ｓ＋Ｖｑｓｉｑｓ）　（９）　【Ｑｏ＝１．５（　…ｉ—Ｖｑ　ｉｄ　）　式中，ｉ　ｉ。　分别为并网电流的ｄ轴分量与ｑ轴　分量。　将式（８）代人式（９），得到式（１０）　：　Ｐｏ　１・５　ｓ　ｆ　１０）　ＬＱ０＝１．５　…ｉ　由式（１０）可知，通过控制ｄ轴电流与ｑ轴电流　可分别控制有功功率和无功功率，实现了有功功率　和无功功率的解耦控制。　图４　网侧变换器的结构简图　为简化控制系统的设计，将式（１１）转换为在同　步旋转坐标系下的状态方程：　尺　一　∞　ｉｄ　Ｖ　ｑ］　（１２）　一　一　ｓ　式中，ｉ　、ｉ　和　、　分别为逆变器输出电流及输　出电压的ｄ轴分量与ｑ轴分量；　为电网电压角　频率。　由式（１２）可知，ｉ　和ｉ　仍存在耦合。为了实现　有功功率和无功功率的解耦，可将式（１２）改写为：　Ｒｓ　一　０　Ｌ　Ｒ　（１３）　ｎ　ｕ　一　由式（１２）、式（１３）解得逆变器输出电压为：　』‘　　＝　ｓ（　一　）＋　（１、　４）　Ｌ　＝Ｌ　（　２＋　ｄ）　为了使逆变器输出电压能够满足式（１４），可令　、　为电流误差经ＰＩ调节后的输出，如式（１５）　所示：　』　＝（　＋　／ｓ）（　—　ｄ　（１５）　【　２＝（ｋ３＋ｋ４／ｓ）（　一ｉ　）　式中，ｉ　和　分别为逆变器输出电流的ｄ轴分量及　ｑ轴分量参考值。　综上所述，可得如图５所示的控制框图。电压　型ＰＷＭ逆变器的控制系统采用双闭环结构，其中电　压环稳定直流电压，通过控制　控制逆变器输出的　有功功率；电流环通过控制ｌ　ｑ控制逆变器输出的无　功功率。当控制　为０时，流入电网的无功功率为　・５Ｄ・　穰毋柱　４４卷　零，可实现电网侧的单位功率因数并网控制。　图５电压型ＰＷＭ逆变器的控制框图　５实验结果与分析　为了验证上述控制策略的效果与可行性，设计　并搭建了１５　ｋＷ的小型并网永磁直驱风力发电系统　实验平台。利用三相感应电动机和减速机代替风力　机，以拖动永磁同步发电机。电力电子变流器中的　功率器件采用ＩＧＢＴ，控制芯片选用数字信号处理器　（ＤＳＰ）ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２进行控制。通过设定　＝０，实　现单位功率因数并网的目的。　图６是发电机的转速为１４０　ｒ／ｍｉｎ时发电机的相　电流波形及电压型ＰＷＭ逆变器并网的相电压和相电　流波形。从中可以看出，由于采用二极管整流电路，　发电机的输出电流波形有些畸变。逆变器的输出电　流波形接近正弦波，ＴＨＤ为１．９％。电网侧的电压　和电流波形相位一致，证实实现了单位功率因数并　网的目的。　ｔ／（２５　ｍｓ／格｝　（ａ）发电机相电流波形　冬　《　昌　一　：盥　≥　，／ｆ１０Ⅲｓ／格）　（ｂ１电网侧ａ相电压及ａ相电流波形　图６实验波形　６　结　语　本文论述了小型并网永磁直驱风力发电系统的　结构与控制策略。Ｂｏｏｓｔ斩波电路对直流电流采取单　闭环控制，实现了最大风能捕获。针对电压型ＰＷＭ　逆变器，建立了三相静止坐标系和同步旋转坐标系　下的数学模型，采用双闭环控制结构，利用电网电　压定向控制技术，独立地调节流人电网的有功功率　及无功功率。实验结果表明，采用该控制策略的小　型风电系统实现了并网有功功率和无功功率的解耦　控制，流入电网的电流为正弦波，谐波含量小，具　有很好的实用价值和应用前景。　参考文献　［１］李德孚．户用小型风力发电系统现状与发展（上）［Ｊ］．节能与　环保，２００５（６）：ｌ４一ｌ６．　［２］李建林，许洪华．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］唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：机械工业出版　社，２００２．　［４］　陈守川，姜新建．永磁同步风力发电机变流器控制策略与实验　研究［Ｊ］．微电机，２００９，４２（１０）：８—１１．　［５］　李辉，杨顺昌，廖勇．并网双馈发电机电网电压定向励磁控制　的研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００３，２３（８）：１５９—１６２．　［６］Ｊｉｎｇｙａ　Ｄａｉ，Ｄｅｗｅｉ　Ｘｕ，Ｂｉｎ　Ｗｕ．Ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　Ｃｕｒ－　ｒｅｎｔ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ＰＭＳＧ　Ｗｉｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００９，２４（４）：９６３　９７２