康爾良 黃善武 蘇顯賀

摘要：介紹了一種新型直驅(qū)交流勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)，在推導出新型直驅(qū)交流勵磁發(fā)電機的數(shù)學模型基礎上，提出一種基于矢量控制的空載并網(wǎng)控制策略。機側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器是雙PWPM變換器，機側(cè)變換器采用定子電壓定向矢量控制，網(wǎng)側(cè)變換器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，兩者協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定，有功功率和無功功率的解耦，功率因數(shù)可調(diào)。勵磁變換器采用定子磁鏈定向的矢量控制，通過控制勵磁電流來控制定子空載電壓，保證機側(cè)PWM整流器的可靠運行。在此基礎上，對控制策略進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，在風速大范圍變化時，該新型系統(tǒng)有良好的動、靜態(tài)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)操作，驗證了該控制策略的可行性和有效性。

關鍵詞：新型風力發(fā)電系統(tǒng);直驅(qū)交流勵磁;空載并網(wǎng);PWM變換器;矢量控制

DOI：10.15938/j.jhust.2020.02.014

中圖分類號：TM315文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2020）02-0105-06

0 引言

風能是一種“綠色”的可再生能源，而且我國可利用的風能資源豐富。不論是從優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，還是從節(jié)能減排的環(huán)保角度，我國都應大力發(fā)展風電。目前，變速恒頻風力發(fā)電技術中雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)憑借其一系列優(yōu)點和較成熟的技術成為現(xiàn)今使用最多的兩個機型，但也存在一些缺點。

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中，需要使系統(tǒng)可靠性變差的齒輪箱，維護成本高。發(fā)電機定子直接與電網(wǎng)連接，這種結(jié)構(gòu)屬于強耦合結(jié)構(gòu)，低壓穿越實現(xiàn)比較困難;直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)中，省去齒輪箱，效率變高，但是轉(zhuǎn)子側(cè)電流頻率、幅值不可控，能夠發(fā)電的轉(zhuǎn)速運行范圍變窄。全功率變換器對電網(wǎng)故障控制能力變強，但是大功率變換器成本高。而且永磁同步電機體積大，永磁材料存在退磁、價格昂貴等問題。為解決雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)定、轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)強耦合、可靠性差的問題，永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)勵磁不可控、運行范圍窄的問題，介紹一種新型直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)。由風力機、直驅(qū)交流勵磁發(fā)電機、整流單元（機側(cè)變換器）、逆變單元（網(wǎng)側(cè)變換器）、交流勵磁電源（交流勵磁變換器）、直流母線組成，其中整理單元、逆變單元、勵磁電源與直流母線組成共直流母線結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)與雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上少了齒輪箱，定子側(cè)通過變換器與電網(wǎng)連接，解決了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)因強耦合結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)的電網(wǎng)低壓穿越問題，與直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)相比，交流勵磁電源為轉(zhuǎn)子繞組勵磁，勵磁電壓和頻率可控，增加了可發(fā)電條件下機組轉(zhuǎn)速運行范圍，同時解決了永磁風力機組體積大，使用稀土材料的問題。

并網(wǎng)是風力發(fā)電的基本問題，發(fā)電機并網(wǎng)是風力發(fā)電系統(tǒng)正常運行的起點，要求發(fā)電機定子電壓通過變換器連接電網(wǎng)，實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)安全并網(wǎng)，進人正常發(fā)電運行狀態(tài)，投入使用。因此，需研究合適的并網(wǎng)方法實現(xiàn)安全并網(wǎng)。

本文主要介紹了新型直驅(qū)交流勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)，在直驅(qū)交流勵磁發(fā)電機數(shù)學模型的基礎上，針對該系統(tǒng)的特點，提出一種應用于此系統(tǒng)的并網(wǎng)控制策略，并應用Madab軟件中的Simulink模塊，對控制策略進行仿真研究。仿真結(jié)果表明，該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)安全并網(wǎng)。

1 新型發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

風力機與發(fā)電機同軸聯(lián)接，向發(fā)電機輸入機械功率。直驅(qū)交流勵磁發(fā)電機與繞線式異步電機類似，轉(zhuǎn)子側(cè)有三相勵磁繞組，但是由于風力機與發(fā)電機直接相連，風機轉(zhuǎn)速較低時為了保證電機性能，設計發(fā)電機的極對數(shù)大于等于8，其轉(zhuǎn)動慣量比繞線式異步電機的轉(zhuǎn)動慣量大;同時將發(fā)電機定子側(cè)繞組同相并聯(lián)轉(zhuǎn)換為繞組串聯(lián)的方式以增加定子繞組匝數(shù)，使發(fā)電機定子電壓升高。整流單元將發(fā)電機發(fā)出的電能整流存儲在直流母線的電容中，逆變單元的作用是將儲存于直流母線電容上的電能逆變成功率因數(shù)可控的工頻交流電輸入電網(wǎng)，交流勵磁電源為發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組提供勵磁，頻率和電壓均可獨立調(diào)節(jié)。勵磁磁場的轉(zhuǎn)向可以與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相同或相反，增加了發(fā)電系統(tǒng)的運行轉(zhuǎn)速范圍。直流母線由一組電容并聯(lián)接于銅排組成，用于電能儲存，是電能傳輸?shù)木彌_池，使系統(tǒng)中發(fā)電機在電氣上與電網(wǎng)解耦，只要風力機提供的機械能大于整個系統(tǒng)的損耗，那么系統(tǒng)就能夠向電網(wǎng)發(fā)電。

當系統(tǒng)啟動時，直流母線電壓為零，網(wǎng)側(cè)變換器工作在整流狀態(tài)由電網(wǎng)向直流母線充電，直流母線電壓只需使轉(zhuǎn)子勵磁工作，建立發(fā)電機氣隙磁場，機組轉(zhuǎn)速大于零，發(fā)電機發(fā)出三相交流電且通過機側(cè)變換器整流同時向直流母線充電至額定電壓，此時風力發(fā)電系統(tǒng)具備了發(fā)電的條件。

當系統(tǒng)正常運行時，直驅(qū)式交流勵磁風力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機相似，定、轉(zhuǎn)子上都有三相對稱繞組。轉(zhuǎn)子勵磁繞組由一個頻率、幅值、相序都可以調(diào)節(jié)的三相交流電源供電，定子繞組發(fā)出電能并通過變換器并人電網(wǎng)。發(fā)電機定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子勵磁旋轉(zhuǎn)磁場滿足如下關系

ω₁=ω₂±_r（1）

公式中：ω₁為定子旋轉(zhuǎn)磁場的電角速度;ω₁為轉(zhuǎn)子本身旋轉(zhuǎn)的電角速度;ω₂為轉(zhuǎn)子勵磁旋轉(zhuǎn)磁場的電角速度。

上式說明：直驅(qū)式交流勵磁發(fā)電機的原理是依據(jù)風場的風速確定勵磁磁場轉(zhuǎn)速，勵磁磁場的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機機械轉(zhuǎn)速相加或相減以保證風力發(fā)電系統(tǒng)運行于最佳工作點。

2 新型系統(tǒng)發(fā)電機數(shù)學模型

建立數(shù)學模型之前，規(guī)定定、轉(zhuǎn)子繞組均采用電動機慣例，即電壓降的正方向與電流的正方向一致，電流i與磁鏈ψ符合右手螺旋法則。下文控制策略研究主要是分析d-q坐標系發(fā)電機模型，因此建立發(fā)電機在d-q坐標系的數(shù)學模型，磁鏈方程為式中：L_m為d-q坐標系同軸等效定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組間的互感;L_s為d-q坐標系中定子等效兩相繞組的自感;L_r為d-q坐標系中轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感，電壓方程為

式中：u_sd、u_sq、u_rd、u_rq分別為定、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量，p為微分算子。

轉(zhuǎn)矩方程

式中：T_L為風力機提供的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩;J為風力機組的轉(zhuǎn)動慣量。

3 新型系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略研究

本文采用空載并網(wǎng)控制，空載并網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。并網(wǎng)前發(fā)電機處于空載狀態(tài)，定子電流為0，檢測電網(wǎng)電壓的頻率、相位、幅值。機側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器采用雙PWM變換器，網(wǎng)側(cè)逆變器實現(xiàn)并網(wǎng)功能，諧波會引起設備的附加損耗，降低效率，加速絕緣老化，很大縮短設備壽命，還可能產(chǎn)生局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，放大諧波水平，為了減少對電網(wǎng)的諧波污染，輸入電網(wǎng)的電流波形正弦，同時控制功率輸出，使輸入功率因數(shù)可調(diào)，機側(cè)可控整流變換器將發(fā)電機輸出電能轉(zhuǎn)換為直流電能儲存于直流母線，同時兩個變換器協(xié)調(diào)控制直流母線電壓穩(wěn)定。機側(cè)可控整流變換器將發(fā)電機輸出電能轉(zhuǎn)換為直流電能儲存于直流母線，同時兩個變換器協(xié)調(diào)控制直流母線電壓穩(wěn)定。機側(cè)PWM整流器可以等效為Boost變換器，若要其能正常工作，直流側(cè)的電壓必須高于發(fā)電機定子線電壓的峰值。因此，勵磁變換器控制發(fā)電機定子空載電壓的大小，保證機側(cè)PWM整流器可靠運行。

3.1 網(wǎng)側(cè)、機側(cè)變換器控制策略

機側(cè)變換器與網(wǎng)側(cè)變換器采用雙PWM變換器，兩者既可以工作在整流狀態(tài)也可以工作在逆變狀態(tài)，功率可以雙向流動，功率因數(shù)可調(diào)，同時協(xié)調(diào)控制保證直流電壓穩(wěn)定。網(wǎng)側(cè)變換器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，將電網(wǎng)電壓矢量定向在d軸，則U_gd=U_g，U_gq=0.在d-q坐標系中，網(wǎng)側(cè)變換器輸出的有功功率P_g和無功功率Q_g為

機側(cè)變換器采用定子電壓定向控制策略，將發(fā)電機定子電壓矢量定向在d軸，同樣采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，保證直流電壓的穩(wěn)定。機側(cè)變換器控制框圖與網(wǎng)側(cè)變換器類似，不過要檢測發(fā)電機定子電壓、電流，這里就不再贅述。由于直流母線的緩沖作用，機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器雙重保證直流母線電壓的穩(wěn)定，使系統(tǒng)動態(tài)性能好，穩(wěn)定性高。

3.2 勵磁變換器控制策略

發(fā)電機空載運行時，定子電流d、g軸分量為0，其數(shù)學模型將簡化。為了達到更好的控制效果，勵磁變換器采用定子磁鏈定向的矢量控制。定子磁鏈定向在d軸上，ψ_sd=ψ_s，ψ_sq=0，式中ψ_s為定子磁鏈矢量幅值。

電機電壓方程將簡化為

從定子電壓可以看出，電機空載運行達到穩(wěn)態(tài)時，u_sd=0，u_sq=U_s，定子電壓定向在g軸上，與定子磁鏈垂直。從式（8）可以看出，轉(zhuǎn)子電壓、電流d、q軸分量還未完全解耦，存在電流交叉耦合項。

根據(jù)以上討論，新型系統(tǒng)勵磁變換器定子磁鏈定向控制策略的框圖如圖4所示。該控制策略包括電壓外環(huán)和勵磁電流內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)用于跟蹤定子電壓，電流環(huán)用于調(diào)節(jié)勵磁電流來控制定子電壓達到一定數(shù)值，通過機側(cè)整流器、并網(wǎng)逆變器，達到并網(wǎng)目的。

4 仿真研究

4.1 仿真模型

為了驗證提出的新型系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略的正確性，應用Matlab中Simulink模塊進行仿真分析。新型電機與風機直接相連，在風速較低的情況下，風機轉(zhuǎn)速較低，為了使電機能夠達到良好的運行狀態(tài)，極對數(shù)取為15.同時，為了更好的分析電機空載狀態(tài)，自己搭建電機空載模型。風力機和發(fā)電機的仿真參數(shù)如表1、表2所示。

其他仿真參數(shù)：網(wǎng)側(cè)進線電感L=6mH，直流母線電容C=5000uF，直流母線電壓U_dc=1200V，變換器開關頻率f=5000Hz。

4.2 仿真結(jié)果分析

風電系統(tǒng)啟動運行一段時間后，風速達到風力機額定風速13m/s時，開始并網(wǎng)，0.3s風速突變升速為15m/s，0.6S風速突變下降為11m/s，0.8s風速又恢復到13m/s并保持不變。系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5-7.

從圖6、圖7、圖8可以看出，應用所提出的并網(wǎng)控制策略，通過對機側(cè)、網(wǎng)側(cè)、勵磁變換器的控制，新型系統(tǒng)在并網(wǎng)時只是在最開始出現(xiàn)波動，隨后快速穩(wěn)定，實現(xiàn)了新型系統(tǒng)的柔性并網(wǎng)。并網(wǎng)后，在風速變化時，系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定可靠運行。

從圖6可以看出，新型系統(tǒng)在風速變化時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速快速跟隨變化，勵磁變換器控制轉(zhuǎn)子電流相應改變，轉(zhuǎn)子電壓也發(fā)生變化，保證定子電壓基本不變，能夠確保機側(cè)可控整流器的運行，驗證了勵磁變換器的控制策略正確性。

圖8為機側(cè)、網(wǎng)側(cè)變換器A相電壓與電流關系曲線，可以看出，兩個變換器都運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，機側(cè)變換器電壓與電流相位同相，處于整流狀態(tài);網(wǎng)側(cè)變換器電壓與電流相位反相，處于逆變狀態(tài)。變換器電流波形接近正弦，諧波含量少，兩者協(xié)調(diào)控制直流母線電壓穩(wěn)定，完成并網(wǎng)操作。圖6可以看出直流母線電壓維持在1200V，保持不變，驗證了機側(cè)、網(wǎng)側(cè)變換器控制策略的正確性。

仿真結(jié)果表明，風速隨機大范圍變化，新型系統(tǒng)調(diào)節(jié)勵磁變換器，保證定子空載電壓能夠使機側(cè)PWM整流器可靠運行，機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器協(xié)調(diào)控制，保證直流母線電電壓穩(wěn)定和系統(tǒng)單位功率因數(shù)運行，實現(xiàn)空載并網(wǎng)操作，驗證控制策略可行性和有效性。

5 結(jié)論

本文給出了一種新型直驅(qū)交流勵磁風力發(fā)電機數(shù)學模型，提出了一種基于矢量控制的空載并網(wǎng)控制策略，詳細介紹了機側(cè)變換器、網(wǎng)側(cè)變換器和勵磁變換器的控制原理和方法，并在Matlab/Simulink軟件中對控制策略進行仿真分析。仿真結(jié)果表明，風速大范圍變化時，該控制策略并網(wǎng)輸出波形質(zhì)量好，能夠?qū)崿F(xiàn)逆變并網(wǎng)，驗證了該控制策略的正確性。