周荔丹 李杏 姚鋼 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 multilevel 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 suppressing. 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 standard 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 control

0 引 言

隨著陸上風(fēng)電場規(guī)模趨于飽和，海上風(fēng)電由于其資源豐富、對環(huán)境影響小、利用率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為新能源發(fā)電的主要方式之一，發(fā)展遠(yuǎn)距離大規(guī)模化的風(fēng)電場，實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)電機(jī)組高壓直流并網(wǎng)成為現(xiàn)階段研究熱點(diǎn)[1-3]。為了滿足大規(guī)模海上風(fēng)力發(fā)電的需求，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量和整流變換器功率等級顯著提升，電機(jī)由傳統(tǒng)的三相電機(jī)逐步向多相電機(jī)方向發(fā)展，變流器由普通的兩電平、三電平向更高電平方向發(fā)展[4]。大容量、高功率密度風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高效發(fā)電以及大功率變流器高效變換等關(guān)鍵問題的深入研究對超大規(guī)模海上風(fēng)電場的發(fā)展具有重要的意義。

與三相發(fā)電機(jī)相比，多相發(fā)電機(jī)具有轉(zhuǎn)動脈矩小、功率密度高、輸出功率大、容錯性能良好等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，已成為未來海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要選擇之一。對多相電機(jī)的研究，較為廣泛的是雙Y移30°六相永磁同步電機(jī)，此結(jié)構(gòu)與對稱六相永磁同步電機(jī)相比電流中不含5次和7次諧波。多相電機(jī)的建模主要依據(jù)兩類方法：第一類是基于d-q解耦方法;第二類是基于矢量空間解耦方法[7]。文獻(xiàn)[8-9]將六相永磁同步電機(jī)的六相繞組分別看成兩套三相繞組，把六相電機(jī)分解成兩個三相電機(jī)進(jìn)行分別控制，建立了雙d-q數(shù)學(xué)模型，但該模型忽略了兩套電機(jī)之間耦合和差異，在兩套繞組dq磁鏈間仍存在著耦合關(guān)系[10]，在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[11]對建立的雙d-q電機(jī)模型進(jìn)行了電流補(bǔ)償控制，將電流控制器的輸出和補(bǔ)償量進(jìn)行加和作為參考電壓，實(shí)現(xiàn)了兩套繞組間電流的獨(dú)立控制。上述文獻(xiàn)中采用的雙d-q模型可適用于3整數(shù)倍相電機(jī)。文獻(xiàn)[10，12]基于矢量空間解耦理論，采用推廣的Clark變換和Park變換建立了Y移30°的六相永磁同步電機(jī)解耦模型，實(shí)現(xiàn)了電流及電壓解耦，但在控制中未消除電網(wǎng)電壓擾動和dq軸間的電流耦合。此外，文獻(xiàn)[13]對凸極式六相雙Y移30°永磁同步電機(jī)進(jìn)行多維矢量建模，提出了一種諧波電流最優(yōu)化的控制方法。

模塊化多電平變流器（modular multilevel converter，MMC）作為一種多電平電壓源型拓?fù)?，具有輸出諧波含量少、控制靈活、易實(shí)現(xiàn)低壓交流到高壓直流轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)，因其結(jié)構(gòu)高度模塊化，可方便實(shí)現(xiàn)電壓和功率等級的擴(kuò)展[14]，在多電平變流器發(fā)展中研究較為廣泛，已經(jīng)成為大功率海上直流輸電系統(tǒng)換流站的首選之一[15-16]。文獻(xiàn)[17]提出了采用MMC驅(qū)動飛輪儲能系統(tǒng)中的六相感應(yīng)電機(jī)，為MMC在多相電機(jī)中的應(yīng)用提供了可行性依據(jù)，并指出采用的MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在海上風(fēng)電大功率、高壓直流并網(wǎng)系統(tǒng)直流側(cè)發(fā)生低電壓穿越時有較好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[18]提出了九橋臂MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，作為中壓6相感應(yīng)電機(jī)發(fā)電、整流系統(tǒng)，該方案相比正常12橋臂系統(tǒng)，減少25%的功率器件，有效降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

現(xiàn)階段多相模塊化多電平變流器（multiphase modular multilevel converter，MP-MMC）驅(qū)動多相電機(jī)系統(tǒng)仍處于前沿階段，僅文獻(xiàn)[17-18]在感應(yīng)電機(jī)中有所涉及，在多相永磁同步電機(jī)中的應(yīng)用尚處于空白。本文采用矢量空間解耦的方法建立Y移30°六相永磁同步發(fā)電機(jī)解耦數(shù)學(xué)模型和六相MMC驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并采用載波移相調(diào)制技術(shù)和電流矢量控制策略對機(jī)側(cè)變流器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓電流穩(wěn)定輸出和MMC子模塊電容電壓平衡。最后通過仿真對模型和控制策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)模型建立

圖1為六相永磁同步發(fā)電機(jī)（permanent magnet synchronous generator，PMSG）經(jīng)MMC整流并匯入直流網(wǎng)系統(tǒng)。其中，MMC子模塊采用半橋結(jié)構(gòu)，每相上下橋臂各有N個子模塊，C0為子模塊直流側(cè)電容，L為橋臂電感，C為公共直流側(cè)電容。

1.1 六相發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)建模

采用中性點(diǎn)不隔離的雙Y移30°結(jié)構(gòu)的六相永磁同步發(fā)電機(jī)如圖2所示。

4 結(jié) 論

本文對多相PMSG及MP-MMC驅(qū)動建模及控制進(jìn)行了研究，建立了Y移30°六相永磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電經(jīng)MP-MMC直流并網(wǎng)的系統(tǒng)模型，并采用載波移相調(diào)制技術(shù)和電流矢量控制策略對系統(tǒng)進(jìn)行控制。最后在Matlab/SIMULINK中進(jìn)行仿真，驗(yàn)證模型的有效性。本文的研究表明：所采用的矢量控制策略具有結(jié)構(gòu)簡單、控制效果良好等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩發(fā)生階躍突變時，系統(tǒng)能夠較快地達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，有較好的魯棒性;也進(jìn)一步驗(yàn)證了MP-MMC驅(qū)動六相永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)并直流并網(wǎng)的可行性，為實(shí)現(xiàn)海上大功率風(fēng)力發(fā)電高壓直流并網(wǎng)研究提供一種可行方案。但本文的研究還只限于基礎(chǔ)研究，未來將對發(fā)電機(jī)在單相缺相、多相缺相等復(fù)雜工況下，PMSG-MMC系統(tǒng)容錯運(yùn)行進(jìn)行深入研究，以完善MP-MMC在多相電機(jī)應(yīng)用中的理論。

參 考 文 獻(xiàn)：

[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）： 2420.

[2] 王常騏， 郭家虎. 風(fēng)電場直流并網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)， 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. 海上直流風(fēng)電場研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2015， 39（9）： 2424.

JIANG Daozhuo， GU Hongjie， YIN Rui， et al. Research status and development prospects of offshore wind farms with pure DC systems [J]. Power System Technology， 2015， 39（9）： 2424.

[4] 鄧孝祥， 戴超凡. 5 MW中壓直驅(qū)風(fēng)電變流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2018， 23（6）： 70.

DENG Xiaoxiang， DAI Chaofan. Design of control system for 5 MW medium voltage direct-driven wind power converter [J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2018， 23（6）： 70.

[5] 高宏偉， 楊貴杰， 劉劍，等. 三次諧波注入式五相永磁同步電機(jī)氣隙磁勢分析[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 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， 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 applications[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy， 2013， 4（2）： 425.

[7] 姚鋼， 殷志柱， 周荔丹，等. 六相永磁同步發(fā)電機(jī)的容錯控制[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 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 three-phase permanent magnet synchronous machine supplied by two independent voltage source inverters[C]// International Symposium on Power Electronics， Electrical Drives， Automation and Motion， June 20-22， 2012， Sorrento， Italy. 2012： 741-747.