直驱式永磁风力发电机组并网控制

杨晓萍， 郭 鑫

(西安理工大学水利水电学院， 西安 710048)

直驱式永磁风力发电机组并网控制

杨晓萍， 郭 鑫

(西安理工大学水利水电学院， 西安 710048)

为了省去直驱式永磁同步风力发电机组D-PMSG(direct-drive permanent magnet synchronous generators wind turbine)串接的交-直-交变流器，减少初期投资费用，文中设计了D-PMSG并网控制策略。通过对交-直-交变流器的控制，使发电机定子电压与低频母线电压满足准同期并网条件时，短接串连在主电路中的双PWM变流器，将发电机定子直接连接在箱式变压器上，电能以低频传输到背靠背换流站，在换流站变换为工频送入电网。运用PSCAD/EMTDC软件仿真了两台机组的并网过程，并分析了并网控制策略的经济成本，结果表明这种并网方法具有一定的可行性。

风力发电； 直驱式永磁同步风电机组； 并网控制； 变流器

直驱永磁风电机组在运行时，风机不接增速齿轮箱，直接和发电机耦合；发电机的定子为三相绕组，转子为永磁结构；定子发出非工频的电能，电压也随转速变化；发电机发出电压和频率都变化的电能经变流装置变成恒压恒频的电能送入电网[1～5]。由于目前普遍使用的PWM整流器后接电压源型PWM逆变器型拓扑结构在运行时每台机

组都串接一个全功率变流器，全功率变流器成本较高，约占整个系统成本的20%左右，且基本依靠进口。本文提出一种新型直驱永磁风电机组并网控制策略，试图只使用一台全功率变流器将多台机组并接在低频母线上，使每台机组定子经箱式变压器与低频母线相连，电能以低频长距离送入背靠背换流站，在换流站中变换为工频送入电网。

1 目前D-PMSG并网方式

目前直驱永磁风电机组变流器电路结构主要有不控整流器+网侧PWM逆变器[6～9]、机侧PWM整流器+网侧PWM逆变器[10，11]2种结构。

不控整流器+网侧PWM逆变器拓扑结构如图1所示，这种结构的特点是将频率和幅值都变化的交流电经过不可控整流器变为直流电后，通过PWM电压源型逆变器连接电网。由于网侧PWM变流器能量可双向流动，因此可利用并网变换器对电容反向充电实现并网。因逆变器输入电压为不可控整流器的输出，而发电机在不同转速下输出电压不同，因此直流侧的电压一直在变化。PWM逆变器可通过改变调制比来实现并网电压的频率、幅值恒定，当风速较低时，PWM逆变器输入电压很低，为保证并网电压恒定，必须提高逆变器的调制深度，而这会导致逆变器运行效率低、开关利用率低、峰值电流高和传导损耗大。

图1 不控整流器+网侧PWM逆变器结构直接并网

机侧PWM整流器+网侧PWM逆变器型拓扑结构如图2所示。通过矢量解耦控制PWM整流器，可以实现发电机的单位功率因数输出、最大转矩、最大效率和最小损耗控制。机组并网时，通过控制逆变器实现对输出电压幅值、频率的控制，当开关K两侧电压幅值差、频率差、相角差满足准同期并网条件时，开关K闭合，机组并入电网。

图2 直驱式永磁风电场结构图

2 并网控制策略

机侧整流器控制风力发电机的转速和电压大小，控制发电机定子侧电压与网侧电压在幅值差、频率差、相角差满足准同期并网条件时，直接将发电机定子连接在箱式变压器上，短接串接在主电路中的交-直-交变流器。

如图3，开关K1和K2都闭合，开关K3断开，风力机组运行状态与传统直驱永磁机组相同。通过控制机侧整流器来控制发电机定子输出电能的频率和电压幅值。控制风力机转速接近低频母线频率对应的转速。

图3 D-PMSG并网控制过程

定子侧电压与网侧低频母线电压满足准同期并网条件时，开关K3闭合，K1与K2断开。发电机定子直接与箱式变压器连接，切除了交-直-交变流器，但发电机转速也固定在母线频率对应的转速上，切除的交-直-交变流器再用以上方法将其他机组并网，最后的风力发电机组运行结构如图4。

图4 并网后D-PMSG运行结构

换流站的容量通常比较大，要求能承受高电压大电流，常规的换流装置无法满足要求，可以采用背靠背换流站，既可满足容量要求能力，又可以降低对器件的要求。在换流站中低频电能变换为工频后经变压器升压送入电网。

3 转速控制策略

这种并网方法最重要是在对发电机转速的控制，本文采用在dq同步旋转坐标系(q轴定向定子电压空间矢量，d轴落后其90°)下的矢量控制实现转速的控制。因d轴电流分量与无功功率相关，由于发电机和机侧变流器没有无功交换，设d轴电流参考值idref=0；因q轴电流分量与电磁转矩相关，可通过控制q轴电流分量实现对电磁转矩的控制，进而控制发电机的转速。永磁同步发电机dq轴数学模型[12]如式(1)

(1)

式中：id、iq分别为定子电流的d、q分量；ud、uq分别为定子电压的d、q分量；La和Ra分别为定子电感和电阻；λ0为永磁体的磁链；ωe为电角频率，ωe=npωg，np为转子极对数，ωg为机组机械角频率。

由式(1)可知，d轴和q轴之间存在耦合项(ωeiq和ωeid)，通过前馈补偿的方法可消除二者之间的耦合。

通过对机侧变流器的控制，实现对发电机转速的控制，机侧变流器的控制框图如图5所示，图中θ为永磁发电机转子位置角，ωeref为给定的机组电角频率。eq=ωeλ0为q轴的反电势，ed=0为d轴的反电势。

图5 机侧整流器控制框图

网侧变流器的控制目标是把直流电变换成符合并网条件的交流电，并维持直流电压的稳定。在电网电压定向的同步旋转坐标系(q轴定向电网电压空间矢量，d轴落后其90°)中，网侧逆变器的数学模型如式(2)

(2)

式中：ucd、ucq分别为网侧变流器交流侧电压的d、q分量；isd、isq为网侧变流器输出电流的d、q分量；usd、usq为电网电压d、q分量。Ls、Rs为连接电抗器的电感和等效电阻；ωs为电网电压角频率。

网侧变流器采用双闭环控制，内环为电流环，外环为电压环。内环采用电流前馈解耦控制。q轴电流参考值isqref由电压外环的电压误差信号经PI调节后产生。d轴电流参考值isdref根据式(3)、(4)中的较小者确定。

isdref=Q/usq

(3)

(4)

式中：Q为电网需要的无功功率；i为逆变器允许最大电流有效值。

网侧变流器的控制框图如图6所示。图中usa、usb、usc是电网电压瞬时值，isa、isb、isc，是注入电网的电流瞬时值，θ1电网电压矢量相位角。

图6 网侧逆变器器控制框图

4 仿真与分析

运用PSCAD/EMTDC软件建立D-PMSG的仿真模型，具体参数如下：发电机额定功率2.5 MW，转子极对数40；额定风速13 m/s；发电机额定频率15.88 Hz；风力机风轮半径36 m；等效转动惯量J=0.51×103kgm2，转动黏滞系数Bm=0。

4.1 并网过程(并第一台机组)

如图3所示，初始时K1和K2闭合，K3断开；母线频率为13.9 Hz。为了观察风机控制的动态过程，假定风速在t=0.5 s时由10 m/s跃变到11.5 m/s。仿真结果如图7所示。图7(a)为K3两侧电压波形，由于转速增大，定子侧电压也增大，通过转速控制使发电机定子电压频率接近低频母线频率，再通过检测K3两侧电压相角差，在1.05 s时满足并网条件，闭合K3后再断开K1和K2。1.05 s后K3有电流流过如图7(b)。发电机定子电流如图7(c)。图7(d)为发电机转速曲线，在1.05 s之前转速已接近给定转速，K3闭合时，转速有微小的波动。图7(e)为发电机输出有功功率曲线，0.5 s时，由于转速增大，功率也增大，并网时转速波动导致功率很小振荡。图7(f)为风能利用系数Cp，风速跃变为11.5 m/s时，由于风力机加速需要一定时间，Cp先是降低，随着转速不断接近最佳转速，Cp不断升高直到最佳值，K3闭合时，由于转速的振荡，Cp有一些振荡。图7(g)为叶尖速比γ曲线，与Cp相同，0.5 s时先是降低，1.05 s时有一些振荡。图7(h)为发电机定子电流d轴分量，id与无功功率相关，在1.05 s之前由于PWM变流器的单位功率因数控制作用，其值为零，1.05 s之后切除PWM交-直-交变流器，永磁发电机输出一定的无功功率。

4.2 并网过程(并第二台机组)

第一台机组已经并在低频(13.9 Hz)母线上，将第二台机组以同样方法并在低频母线上。第二台机组初始运行状态：风速为13 m/s，机组串接PWM交-直-交变流器与低频母线相连，仿真结果如图8所示。

(a) ua(发电机定子a相电压)和usa

(b) 流过K3a相电流

(c) 发电机定子a相电流

(d) ωgref(机械角速度给定值)和ωg

(e) 发电机有功功率

(f) 风能利用系数

(g) 叶尖速比

(h) 发电机定子电流d轴分量

由于母线频率为13.9 Hz，t=2 s时在机侧整流器转速控制下，控制第二台机组转速降低，在满足准同期并网条件时，将串接的PWM交-直-交变流器短接，发电机定子直接连接低频母线。

图8(a)为第二台机组定子相电压波形，在2 s时由于转速下降,导致电压幅值减小。

图8(b)为第二台机组的机械角速度，由于转速控制作用机械角速度在2 s时下降，在3.5 s并网时有一些振荡。

由图8(c)和图8(e)可看出，虽然两台机组转速相同，但第二台机组风速比第一台机组风速高，因此，第二台机组输出有功功率比第一台机组大。

由图8(d)和图8(f)可以看出,两台机组转速相同，但风速不同，因此第二台机组风能利用系数较小，导致第二台机组没有运行在最佳风能利用特性上。

(a) 第二台机组定子a相电压

(b) ωgref2:第二台机组机械角速度给定值；ωg2:第二台机组机械角速度

(c) 第二台发电机有功功率

(d) 第二台机组风能利用系数

(e) 第一台发电机有功功率

(f) 第一台机组风能利用系数

5 经济成本分析

本文设计的并网结构如图9所示，以一条低频母线上有15台单机2.5 MW直驱式永磁机组为例，国际上2.5 MW风电整机的销售价格约在250万欧元(约合2375万人民币)，变流器的费用平均为风机系统的20%，15台机组可节省475万×14台=6650万元的费用。一组2.5×15=37.5 MW的换流站费用在3000万左右。与传统并网结构比较可以节省3650万元设备费用。

图9 新型直驱式永磁风电机组并网结构

根据我国风力发电目前的运行状况，风力发电机年运行小时数约为2000 h，图8(d)的仿真结果表明，有一些机组不能运行在最大风能利用曲线上，造成一定的风能损失。设计的风力机组额定风速为13 m/s，按年平均风速为额定风速的20%计算，15台2.5 MW传统并网机组年发电量约为6000万kWh。本文提出的并网方式风能损失系数按照7%计算，一年将有420万kWh电量损失。

根据2009年7月国家发展改革委发布了《关于完善风力发电上网电价政策的通知》，四类资源区风电标杆电价平均为0.56元/(kWh)，本文提出的并网结构一年将损失235万元，低频传送电能线路损耗将减小，因此一年的损失略小于235万元。初始投资节省3650万元，但是每年损失235万元发电量，3650/235=15(年)，因此在风电场以这种并网结构运行15年后，节省初始投资费用的优势将会消失，因此这种并网结构在减少风电场初期投资方面有积极的作用。

6 结论

本文的并网控制策略使用一台全功率变流器将多台机组并接在低频母线上，使每台机组定子经箱式变压器与低频母线相连。电能以低频传送减小了线路损耗并增大了传输容量，在背靠背换流站变换为工频送出电网。转速控制策略中，机侧整流器内环采用定子电压定向的电流前馈解耦控制，外环实现转速控制；网侧逆变器采用电网电压定向的电流前馈解耦控制，外环实现直流电压控制。仿真结果表明，一条低频母线上发电机被等效为一台发电机，各机组转速相同，通过调整母线频率统一同步调整各发电机的转速，由于各机组风速不同而转速相同，导致部分机组不能运行在最佳风能曲线上。通过经济成本分析，本文的并网控制策略省去了每台机组的交-直-交变流器，减少了投资费用，在减少初期投资方面有积极的作用。

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ControlStrategyofDirect-drivePermanentMagnetSynchronousGeneratorsWindTurbineConnectedtoGrid

YANG Xiao-ping， GUO Xin

(Institute of Water Resource and Hydro-electric Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

The control strategy of D-PMSG grid-connection was designed in order to save AC-DC-AC convertor and redu-ce initial investment costs. When the stator voltage and low-frequency bus voltage were satisfied on the condition of qu-asi-synchronization the AC-DC-AC converter was shorted in the main circuit by controlling the AC-DC-AC double PWM convertor. The generator stator was directly connected to box-type transformer. Then the low-frequency power energy was transmitted to back-to-back convertor station. The power energy was converted into 50 Hz AC and transmitted into grid. Two unit generators processes were simulated by PSCAD/EMTDC，the economic costs of control strategy were ana-lyzed. The results show that the control strategy is certainly feasible.

wind power generation； direct-drive permanent magnet synchronous generator wind turbine； control strategy of grid-connection； convertor

2010-04-21；

2010-06-29

国家自然科学基金项目(90410019)

TM614； TM315

A

1003-8930(2011)06-0121-06

杨晓萍(1964-)，女，副教授，博士，研究方向为电力系统运行与控制、电力电子在电力系统中的应用。Email:yangxiaoping@xaut.edu.cn 郭 鑫(1985-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制、电力电子在电力系统中的应用。Email:broughtcn@yahoo.com.cn