摘 要：永磁同步電機(jī)（PMSG）直接和風(fēng)力機(jī)相連接，而電能通過全控的交—直—交變換器和電網(wǎng)相連接。功率轉(zhuǎn)換電路由發(fā)電機(jī)側(cè)的三電平變換器、直流電路和網(wǎng)側(cè)的三電平變換器三部分共同構(gòu)成?；谟来磐诫姍C(jī)的最大風(fēng)能捕獲控制系統(tǒng)，空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）和轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制策略被應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的控制。本研究完成了相關(guān)的仿真和試驗(yàn)，于文中給出了諸如三相電流、直軸交軸電流的波形，均證明了本文提出的控制算法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：空間矢量脈寬調(diào)制；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；三電平變換器；全控；控制策略

永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)（PMSG）被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，功率變換器則是電能向電網(wǎng)輸出功率系統(tǒng)中的重要部分。雙電平變換器通常被用于傳統(tǒng)的風(fēng)電系統(tǒng)。隨著對供電量和供電質(zhì)量需求的提升，基于多電平變換器的高功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之研究也引起了人們的高度重視。

對直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的研究有效地提高了電力系統(tǒng)的效率和可靠性。直驅(qū)風(fēng)電成為國際上相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。通過文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，基于雙電平變換器的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)得到廣泛研究，并且提出將三電平變換器應(yīng)用于該系統(tǒng)，但這也僅限于研究了變換器本身，并沒有涉及到該系統(tǒng)的控制問題。本研究針對永磁同步電機(jī)使用的是空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）和轉(zhuǎn)子磁鏈控制策略，而且將轉(zhuǎn)速作為外環(huán)而電流作為內(nèi)環(huán)，共同構(gòu)建了雙回路控制系統(tǒng)。

一、風(fēng)力機(jī)的基本特性

風(fēng)力機(jī)是風(fēng)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。根據(jù)其空氣動力學(xué)特征，風(fēng)力機(jī)的輸出功率可通過計算得出。

功率系數(shù)Cp也叫作風(fēng)能利用系數(shù)，它與風(fēng)速、葉片速度、葉片直徑和槳葉角都有直接的相關(guān)性?？梢钥闯觯?dāng)葉尖速比比最優(yōu)葉尖速比大或小時，風(fēng)能利用系數(shù)都會偏離最大風(fēng)能利用系數(shù)，造成單位效率的下降。同時，Cp的數(shù)值在槳葉角變大時顯著下降。

根據(jù)上述分析，風(fēng)機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速在不同風(fēng)速下產(chǎn)生變化。在不同風(fēng)速下，功率—轉(zhuǎn)速曲線可以得到。連接不同風(fēng)速下最大功率點(diǎn)形成的是風(fēng)力機(jī)的最大功率曲線Popt。當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最大功率曲線上的時候，就會產(chǎn)生最大的功率。

二、基于空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的三電平變換器

對于三相三電平變換器而言，每一相都有三種電平的輸出，因此對應(yīng)于27中矢量控制狀態(tài)共有27個三相輸出狀態(tài)的空間矢量。空間矢量圖分為6個區(qū)域，每一區(qū)域有四個象限，

鉗位型三電平變換器空間矢量調(diào)制算法基于瞬間功率平衡。Α、β是兩相靜止正交坐標(biāo)系，g、h是本文定義的非正交的60°坐標(biāo)系，h軸逆時針超前g軸60°。它們之間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。

然而，電流相對中性點(diǎn)的方向在onn和ppo作用時是相反的。保持T14p+T14n不變，改變兩者之間的比例，那么流向中性點(diǎn)的電流就可以控制，進(jìn)而保持中性點(diǎn)的電勢平衡。

三、基于永磁同步電機(jī)的最大風(fēng)能跟蹤矢量控制技術(shù)

根據(jù)上述的永磁同步電機(jī)的建模和三電平空間矢量脈寬調(diào)制的算法，永磁同步電機(jī)的控制方塊圖可以獲得。

P是電機(jī)的極對數(shù)。在捕獲風(fēng)能的過程中，輸出功率取決于對應(yīng)于瞬時風(fēng)速的Pm-Wm的功率點(diǎn)。因此，對于風(fēng)電系統(tǒng)來說，若想控制輸出有功功率Pge就要控制風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。風(fēng)電機(jī)要保持運(yùn)行在最佳葉尖速比處來保證系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率曲線上。通過計算可獲得最佳轉(zhuǎn)速。

θmr是電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度。將得到的機(jī)側(cè)變換器定子電流命名為ia，ib，ic，通過Park變換，d軸分量id和q軸分量iq也可獲得。ωmr是機(jī)械角速度，ωmref和ωmr的區(qū)別在于后者是轉(zhuǎn)速控制器的輸入信號，前者是比例積分控制器的參考值。為了實(shí)現(xiàn)解耦控制，令d軸電流給定值為零。

為了證明所提出算法的有效性，我們對低速永磁同步電機(jī)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到了發(fā)電機(jī)對應(yīng)于不同風(fēng)速的轉(zhuǎn)速變化曲線。由該變化曲線可以看出，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以跟蹤風(fēng)速的瞬時變化。對于機(jī)側(cè)三電平變換器的電壓曲線，它顯然比二級變換器的曲線要更加接近正弦曲線。對于永磁同步電機(jī)的定子電流，可以看出，當(dāng)風(fēng)速變化時，電機(jī)的電流變化也極為迅速，并且仍保持正弦曲線的形狀，定子電流的頻率隨風(fēng)速變化而變化。d軸電流id在全過程中均為零，說明實(shí)現(xiàn)了d軸和q軸電流的完全解耦，q軸電流隨風(fēng)速變化而變化。

通過實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)論是，與仿真結(jié)果相比，這些曲線基本是連續(xù)的，證明了本算法的可行性和有效性。

四、結(jié)論

本文主要對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了分析，轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制和基于非正交坐標(biāo)系的空間矢量脈寬調(diào)制算法都得到了應(yīng)用。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速能迅速地跟蹤參考轉(zhuǎn)速而進(jìn)行改變，輸出電流也能保持良好的正弦特性。下一步的工作重心在于對基于SVPWM控制的雙三電平變換器的直驅(qū)永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)研究。

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作者簡介：王濱臣，東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院。