设计与研0 引言风能作为清洁能源之一, 其资源储量大而且无污染, 是 21 世纪发展最快的清洁能源据统计, 世界上可利用发电的风资源是水资源储量的十倍多, 因此, 风力发电在未来能源结构改革中占有绝对主力位置 2012 年, 风力发电占全国电力的 2%, 据中国风电发展路线图 2050 报告

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坟蚁鳜强
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1 设计与研究19 本文引用格式 : 陈丽娟, 唐勇奇, 林轩, 等. 永磁直驱同步风力发电机变流器仿真分析 [J]. 新型工业化,2015,5(6):19-26 DOI: /j.issn 永磁直驱同步风力发电机变流器仿真分析陈丽娟, 唐勇奇, 林轩, 胡涛 ( 湖南工程学院电气信息学院, 湘潭 ) 摘要 : 根据风力机的输出特性, 阐明最佳特性曲线法实现风力发电系统最大功率追踪的原理, 选取背靠背电压型双 PWM 变换器为研究对象, 在参考坐标变换理论基础上, 分析并搭建了永磁同步电机和 PWM 变换器的数学模型, 为仿真分析提供依据依据变换器控制的数学模型, 对网侧变换器和机侧变换器的控制策略进行了研究网侧变换器采取前馈解耦方案, 实现 VSR 的有功无功功率解耦控制, 获得基于电网电压定向的双闭环控制策略 ; 机侧变换器采用零 D 轴电流控制策略, 基于转子磁场定向的矢量控制方法, 通过矢量控制方法实现对定子电流的控制, 达到良好的转矩控制性能 ; 基于 MATLAB 软件对设计的系统进行理论仿真验证, 仿真结果证明矢量控制策略具有良好的稳态和动态性能关键词 : 双 PWM; 永磁同步电机 ; 最大功率追踪 ; 矢量控制 Simulation of the Converter of the Permanent Magnet Direct-drive Wind Power Generation System CHEN Li-juan, TANG Yong-qi, LIN Xuan, HU Tao (School of Electrical and Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan , China) Abstract: The principle of MPPT control of the WEGS using optical characteristic curve is explained according to wind turbine output characteristics. The back-back voltage source dual-pwm converter is selected for the study. The mathematical models of permanent magnet synchronous generator and PWM converter have been analyzed and built after referring to the coordinate transformation theory. This has provided a basis for the simulation analysis. It is a study on the control strategies of grid side converter and machine side converter based on the mathematical model of converter control. Feed-forward decoupling scheme is adopted to achieve the active and reactive power decoupling control on grid side converter. This paper obtains a voltage and current double closed-loop controlling method based on grid voltage orientation. To achieve good torque control performance, the zero d-axis current control strategy is used for the machine side converter. The stator current control strategy is obtained based on the rotor flux orientation vector control method and vector control method. This can provide a reference for the selection of parameters. The simulation for the designed system is carried out using Matlab software. Simulation results verify that the method of vector control has good stability and dynamic performance. Key words: Dual-PWM; Permanent magnet synchronous generator; MPPT; Vector control Citation: CHEN Lijuan,TANG Yongqi,LIN Xuan,et al.. Sinmulation of the Converter of the Permanent Magnet Direct -drive Wind Power Generation System. [J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(6): * 基金项目 : 国家自然科学基金 ( ) 作者简介 : 陈丽娟 (1990-), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为 : 风电控制技术 ; 唐勇奇 (1964-), 男, 湖南新化人, 教授, 硕士, 主要研究方向 : 电气控制 ; 林轩 (1991-), 男, 硕士研究生, 主要研究方向 : 风电控制 ; 胡涛 (1989-), 男, 湖北宜昌人, 湖南工业大学硕士生, 主要研究方向 : 现代电力电子技术及系统新型工业化 2015 年第 6 期

2 设计与研0 引言风能作为清洁能源之一, 其资源储量大而且无污染, 是 21 世纪发展最快的清洁能源据统计, 世界上可利用发电的风资源是水资源储量的十倍多, 因此, 风力发电在未来能源结构改革中占有绝对主力位置 2012 年, 风力发电占全国电力的 2%, 据中国风电发展路线图 2050 报告预测 :2020 年,2030 年,2050 年, 风电占届时全国电力需求的 5%,8%,17% 随着我国风力资源的开发, 带来了风力发电技术的高速发展, 其中变流器技术是其中之关键, 目前该技术主要掌握在国外手中, 我国也在积极研究当中目前, 全球所运用的风力发电机最为普遍的是双馈式风力发电机和直驱式永磁同步发电机 [2] 双馈式风力发电机需要齿轮箱连接叶轮和发电机, 以达到升速的目的, 但是由于齿轮箱存在造价高昂, 故障率高, 且噪音大等缺点, 双馈式风力发电机逐渐被直驱式永磁同步风力发电机取代 ; 其次, 由于双馈式风力发电机定子侧直接与电网刚性耦合, 当电网出现故障时, 能直接影响发电机, 减短发电机的使用寿命而直驱式永磁同步发电机完全弥补以上两个重大缺陷, 所以未来的风力发电系统直驱式永磁同步风力发电机的比重将会越来越大目前, 国内生产直驱式永磁同步风力发电机组的企业有新疆金风有限公司湘电风能有限公司等永磁同步发电机的并网变流器结构主要有三种 : 不控整流 +PWM 逆变不控整流 +boost 升压斩波 +PWM 逆变和 PWM 整流 +PWM 逆变 ( 双 PWM) 不控整流 +PWM 逆变具有结构简单易于实现的优点, 但是由于其机侧变流器采用不可控整流, 不能对发电机的转矩进行控制, 即不能实现最大功率追踪, 且直流侧电压不稳定, 纹波较大等缺点, 该种控制方法只运用在容量的变换当中 ; 不控整流 +boost 升压斩波 +PWM 逆变与前者相比较, 其优点是能够对直流母线电 [3-4] 压进行控制, 但是存在无法对最大功率进行跟踪的缺点 ; 双 PWM 型变流器弥补以上两者缺点, 其还具有机侧功率因数高, 谐波含量少等优点双 PWM 型变流器将是未来风力发电变流器发展趋势作者通过对永磁同步风力发电机及变流器的拓扑结构进行数学建模, 通过 Matlab/Simulink 进行仿真, 验证其可行性及正确性 1 建立数学模型 [1] 如图 1 所示为双 PWM 型变流器拓扑结构, 风能经过叶轮装换为机械能, 通过传动轴带动发电机转子转动, 再通过电磁感应装换为幅值频率变化的交流电, 然后通过机侧 PWM 型变流器图 1 双 PWM 型变流器的拓扑结构整流成为稳定的直流电, 最后通过网侧 PWM 变 Fig.1 Topology structure of dual PWM converter 换器逆变成为和电网等幅同频同相位的交流电 1.1 机侧变流器的控制策略坐标变换理论 [5] 究坐标变换的原理就是把三相交流电模型转换为相互独立的两相直流电进行解耦控制其过程包括三相静止坐标系转换成两相静止坐标系 abc, 两相静止坐标系 αβ 转换成两相旋转坐标系 dq, 如图 2 所示 20 新型工业化开放式获取期刊: 图 2 3s/2s 与 2s/2r 变换 Fig.2 3s/2s and 2s/2r transform

3 设计与研究发电机数学模型忽略定子铁心饱和, 不计涡流损耗与磁滞损耗, 转子上没有阻尼绕组, 且空间磁势及磁通分布为正弦时, 永磁同步发电机在 dq 坐标系下的数学模型如式 (1) 所示 : (1) 其中,u sd 和 u sq 分别为 d 轴和 q 轴电压 ;i sd 和 i sq 分别为 d 轴和 q 轴电流 ;L sd 和 L sq 分别为定子直轴电感和定子交轴电感 ;ψ f 为永磁体励磁磁链 ( 不考虑温度影响, 为一常数 );w s 为定子电角速度 ;R s 为定子相电阻由式 (1) 可知,d 轴和 q 轴电流相互耦合, 给控制带来很大难度, 因此通常采用前馈解耦方式, 加入 PI 控制器, 则上式可做如式 (2) 所示的变换 : (2) 基于最佳功率给定的风能跟踪控制原理 [6-8] 风力发电机组把风能转换为电能的第一步是通过风力机转换为机械能, 其在空气中捕获并转换的风能功率可用式 (3) 表示 : (3) 式 (3) 中 :ρ 为空气密度 ;r 为风力机叶片的长度 ;v 为风速 ;C p 为风力机的风能利用系数叶尖速比 λ 是叶片叶尖线速度 v 1 与风速 v 的比值, 其表达式如式 (4) 所示 : 式 (4) 中 :w 为风力机的机械角速度 ;R 为风力机的叶片半径将式 (4) 代入式 (3) 可得 : (4) (5) 式 (5) 中 :P max 为最大功率 ;λ m 为最佳叶尖速比 ;C pmax 为最大风能利用系数由于风电场中的风速大多数情况下都低于额定风速, 因此这里只针对额定风速以下的风况进行研究即变桨系统不动作, 桨距角等于零如图 3 所示, 在不同桨距角的情况下只有唯一的一个最佳叶尖速比 λ m 和风能最大利用系数 C pmax 相互对应, 因此在桨距角固定的情况下,λ m 和 C pmax 均为定值, 即式中 k 为定值, 因此风力机吸收功率的大小仅与叶轮转速相关下面以桨距角为 0 进行分析如图 4 所示, 在不同风速的情况下, 叶轮捕获的最大功率仅对应一个最佳转速, 因此, 在风力发电机型号确定的情况下, 进行最大功率追踪仅取决于叶轮的转速因此, 机侧变流器采用基于坐标变换的双闭环空间矢量控制策略双闭环即转速外环, 实现最大功率追踪 ; 内电流环, 采用 id=0 的控制策略, 实现对发电机的转矩控制其控制结构图如图 5 所示 : 1.2 网侧变流器的控制策略 [9] 网侧变换器采用以电网电压定向的矢量控制, 则其 dq 坐标系下得数学模型如式 (6) 所示 : 新型工业化 2015 年第 6 期

4 设计与研图 3 最佳叶尖速比 λ 与最大风能利用系数 Cp 关系曲线 Fig.3 The optimal tip speed ratio lambda and maximum wind energy utilization coefficient Cp curve 图 4 风力机功率与转速对应关系曲线 Fig.4 The relationship curve of the power and the speed of the wind turbine 图 5 转矩控制结构图 Fig.5 Torque control structure diagram (6) 式 (6) 中 :u gd 和 u gq 分别为网侧变流器输出端 d 轴和 q 轴电压 ;i gd 和 i gq 分别为 d 轴和 q 轴电流 ; L gd 和 L gq 分别为直轴和交轴滤波电感 ;w g 为电网电角速度 ;R g 为电网输电线等效阻抗 ;e d 和 e q 分别为电网 d 轴和 q 轴电压为使网侧逆变器运行在单位功率因数下, 令 e d =E s,e q =0; 其中,E s 为电网电压幅值再进行解耦控制, 为使输出电流能够快速跟踪给定电流, 采用电流 PI 调节器实现闭环控制 PI 调节器输出如式 (7) 所示 : 究22 新型工业化开放式获取期刊 : (7)

5 设计与研究23 为了维持直流侧电压的稳定, 网侧变流器采用电压外环电流内环的双闭环方式电压外环的输出作为电流内环有功电流的给定, 其控制结构图如图 6 所示 : 图 6 电压外环输出作为电流内环有功电流的给定控制结构图 Fig.6 Voltage outer loop output as a given control structure of active current in current loop 2 仿真研究 [10] 通过研究机侧变流器与网侧变流器的控制策略, 在 Matlab/Simulink 下搭建了仿真模型如图 7 所示, 其中仿真模型中给定部分条件为永磁同步发电机极对数为 20, 交直轴电感均为 0.003H, 定子相电阻为 0.002Ω, 磁链为 0.821Wb, 转动惯量为 8kg/m 2, 直流侧电容为 5mF, 直流侧额定电压为 350V, 网侧线电压有效值为 120V,50Hz, 网侧滤波电感为 1mH, 每相等效电阻为 0.5Ω, 模拟实际中当直流端电压高于额定电压时才向电网送电, 因此给定直流侧电容初始值为 350V 图 7 双 PWM 型变流器仿真模型 Fig.7 Simulation model of dual PWM converter 在给定转矩 T=-20kN*m, 给定转速为 42rad/s 时, 发电机转速波形如图 8 所示, 机侧三相电流如下图 9 所示, 坐标变换后 dq 轴电流的分量 ( 分别为无功分量和有功分量 ) 如图 10 所示, 直流母线电压如图 11 所示, 并网电流与电网电压波形如图 12 所示新型工业化 2015 年第 6 期

6 图 8 发电机转子转速波形图 9 发电机定子三相电流波形 Fig.8 Generator rotor speed waveform Fig.9 Generator stator three phase current waveform 图 10 机侧 dq 轴电流波形图 11 直流侧直流电压波形 Fig.10 Machine side DQ axis current waveform Fig.11 DC voltage waveform 设计与研究图 12 并网电流与电网电压波形 Fig.12 Grid connected current and grid voltage waveform 图 S 突加负载时发电机转速波形 Fig.13 Generator rotational speed waveform with 0.5S process 由上述图可知风力发电机实际转速能够很快跟踪给定转速发出的电流能够呈现良好的正弦型且无功电流 d 轴分量始终维持在零附近有功电流 q 轴分量稳定直流母线电压维持在 350V 逆变器输出并网电流与电网电压保持同频反向实现单位功率并网但是在实际应用中由于风速的不稳定性当风速改变时导致叶轮与发电机转子间的 24 新型工业化开放式获取期刊

350V 图 14 0.5S 突加负载时发电机定子三相电流波形图 15 0.5S 突加负载时机侧 dq 轴电流波形 Fig.14 Generator stator three phase current Fig.15 0.5S 突加负载时机侧 dq 轴电流波形 waveform with 0.5S process 图 16 0.5S 突加负载时直流侧电压波形图 17 0.

7 转矩发生变化又由于最大功率追踪导致给定转速变化下面进行当风速改变时的研究假设转矩的初始值为 -20kN*m 在 t=0.5s 时变为 -25kN*m 给定转速为 42rad/s 在 t=0.5s 变为 56rad/s 此时机侧三相电流如图 13 所示机侧 dq 轴电流分别为有功分量无功分量如图 14 所示直流母线电压如图 15 所示电网电压与并网电流波形如图 16 所示通过图 17 的仿真波形可以看出在风速突然变化时风力发电机转速和转矩能够快速跟随新的给定值机侧电流和网侧电流能够快速变化达到新的稳定且变化前后仍能够保持良好的正弦型直流侧电压始终保持在 350V 图 S 突加负载时发电机定子三相电流波形图 S 突加负载时机侧 dq 轴电流波形 Fig.14 Generator stator three phase current Fig S 突加负载时机侧 dq 轴电流波形 waveform with 0.5S process 图 S 突加负载时直流侧电压波形图 S 突加负载时并网电流与电网电压波形 Fig.16 DC side voltage waveform of 0.5S process Fig.17 Grid connected current and voltage waveform of 0.5S process 3 结论设计与研究通过理论推导风力发电机组及双 PWM 变流器的数学模型进而搭建仿真模型进行仿真并对波形进行分析论证了矢量控制理论的正确性以及给系统带来的稳定性参考文献 [1] 辛华. 中国风电发展路线图 2050[J]. 精细与专用化学品, 2011, 19(12): 27. [2] 薛玉石, 韩力, 李辉. 直驱永磁同步风力发电机组研究现状与发展前景 [J]. 电机与控制应用, 2008, 35(4): 1-5. X ue Yushi, Han Li, Li Hui. Overview on Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator for Wind Power System[J]. Electric Machines & Control Application, 2008, 35(4): 1-5. 新型工业化 2015 年第 6 期 25

8 [3] Huang Keyuan, Shoudao Huang, Feng She, Baimin Luo, Luoqiang Cai. A control strategy for direct-drive permanent-magnet windpower generator using back-to-back PWM converter [C]. Proceedings of the Electrical Machines and Systems, 2008 ICEMS 2008 International Conference on, IEEE, 2008: [4] 姚骏, 廖勇, 庄凯. 永磁直驱风电机组的双 PWM 变换器协调控制策略 [J]. 电力系统自动化, 2008, 32(20): Yao Jun, Liao Yong, Zhuang Kai. Coordinated Control Strategy of Back-to-back PWM Converter for Permanent Magnet Directdriven Wind Turbine[J]. Automation of Electric Power Systems, 2008, 32(20): [5] 田铭兴, 励庆孚, 王曙鸿. 交流电机坐标变换理论的研究 [J]. 西安交通大学学报, 2002, 36(6): Tian Mingxing, Li Qingfu, Wang Shuhong. Research of the Reference-Frame Transformation Theory of AC Machine[J]. Journal of Xi an Jiao Tong University, 2002, 36(6): [6] 赵仁德, 王永军, 张加胜. 直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制 [J]. 中国电机工程学报, 6(27): , Zhao Rende, Wang Yongjun, Zhang Jiasheng. Maximum Power Point Tracking Control of the Wind Energy Generation System WithDirect-driven Permanent Magnet Synchronous Generators[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 6(27): [7] Yu Ling, Tong-Zhuang Zhang, Qiu Xue-Feng. Study on Maximum Power Extraction Control for directly drived Wind Power Generating System [J]. Power Electronics, 2007, 7(15): [8] 倪受元. 风力发电讲座第二讲风力机的工作原理和气动力特性 [J]. 太阳能, 2000, 21(3): [9] 陈瑶. 直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究 [D]. 北京 : 北京交通大学, [10] Chen J, Chen J, Gong C. New Overall Power Control Strategy for Variable-Speed Fixed-Pitch Wind Turbines Within the Whole Wind Velocity Range[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on.2013, 60(7): [11] Monica Chinchilla, Santiago Arnaltes. Control of Permanent Magnet Generators Applied to Variable-Speed Wind-Energy Systems Connected to the Grid [J]. IEEE, 2006, 21(1): [12] Tan Kelvin, Islam Syed. Optimum Control Strategies in Energy Conversion of PMSG Wind Turbine System Without Mechanical Sensors[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2004, 19(2):l-8. [13] Rahimi Mohsen, Parniani Mostafa. Coordinated Control Approaches for Low-Voltage Ride-Through Enhancement in Wind Turbines With Doubly Fed Induction Generators. Energy Conversion[J]. IEEE Transactions on, 2010, 25(3): 设计与研究26 新型工业化开放式获取期刊 :

; 3/2, Buck-Boost, 3 Buck-Boost DC-DC ; Y, Fig. 1 1 BBMC The topology of three phase-three phase BBMC 3 BBMC (Study on the control strategy of

; 3/2, Buck-Boost, 3 Buck-Boost DC-DC ; Y, Fig. 1 1 BBMC The topology of three phase-three phase BBMC 3 BBMC (Study on the control strategy of 26 2 2009 2 Control Theory & Applications Vol. 26 No. 2 Feb. 2009 : 1000 8152(2009)02 0203 06 Buck-Boost 1,2, 3, 2, 4, 1 (1., 411201; 2., 410083; 3., 411105; 4., 410004) :, Buck-Boost,.,,. :,,,, : Buck-Boost