直驱型永磁风电机组并网控制系统的研究

谢维

（1.北京工业大学，北京100124；2.北京电子科技职业学院，北京100176）

直驱型永磁风电机组并网控制系统的研究

谢维1,2

（1.北京工业大学，北京100124；2.北京电子科技职业学院，北京100176）

对直驱型永磁风电机组并网控制系统工作结构与原理进行讨论，并研究变流器电机侧与电网侧的并网控制电路与控制策略。应用并联多变流器的方法，采取电网电压定向的电流、电压双闭环矢量控制模式，设计逆变并网控制。基于对交-直-交背靠背双PWM变流器的控制，运行软件仿真了690V/2.5 MW直驱型永磁风电机组的变流器并网过程。实验结果表明，控制电路与策略正确有效，并网变流器能进行双向的能量传递，并且具有良好的静动态特性。

直驱型风电机组；永磁同步发电机；并网；变流器；矢量控制

风能是不可调度、不可控的随机能源，在并入电网之后，风力发电引起电网功率与电压的波动，会影响电网运行的稳定性[1-4]。在风力发电机组并入电网运行时，有两种恒频并网方法：（1）恒速恒频，即风机发电过程中，发电机转速保持不变，所得到电能是恒频的；（2）变速恒频(variable speed constant frequency，VSCF)，即风机发电过程中，可随风速改变发电机转速，在这种方式下，电网与发电机之间须增加并网变流器，从而使所得到电能是恒频的[5]。变速恒频方法可使风能捕获达到最大限度，所以大功率风电机组都采取变速恒频控制系统。传统的风力发电是恒速系统并网方式，一般采取异步电机，该并网方法在国外如丹麦等非常流行[6]；这种方式尽管控制简单，却无法进行最大风能追踪，维修保养费用高，风速改变给机电设备造成很大的冲击。变速恒频方式可以使风力机输出获得最大功率，从而使风能捕获达到最大限度，并且因为采取并网变流器而令电能质量大大提高，故而大功率的风电机组控制系统普遍使用变速恒频并网方式[7]。

当今风电机组有两大类变速恒频的方式：变频器+双馈发电机并网控制，以及变频器+直驱永磁发电机并网控制。前者技术成熟，但是存在维护不便、控制复杂、制造发电机困难等问题；而后者具备有益于电网稳定安全运行、利用风能效率高、控制简便等优势，代表了未来风力发电技术的发展方向。直驱型变速恒频风电机组对变流器控制从而实现有功无功解耦控制，对电网的冲击减少。直驱型风电机组要用到全功率变流器，由于受到器件的开关频率、功率水平等因素制约，要对多变流器进行并联以满足大电流、低电压、大功率的要求。国内的兆瓦级并网变流器研究起步较晚，基于对直驱型永磁风电机组并网控制系统的研究，本文研制了690V/2.5 MW直驱型永磁风电机组并网变流器，并进行了相应的研究实验。

1 系统的组成与结构

本文设计的MW级直驱型永磁并网变流器控制系统结构见图1，发电机发出的能量被传送到交流电网。直流是由C1、C2滤波，直流能量是由T1、R1与T2组成电路泄放，主要用于模块安全保护，即直流电压太高时泄放能量。

图1 直驱型风电机组并网控制结构图

如图1所示，采用二PWM的双重化变流器的主电路结构，变流器由4个750 kW模块组成。电机绕组的输出连接到其中的PWM1、PWM2，而PWM3、PWM4先经由LCL滤波及T变压器再并联电网。通过对2个PWM三相全桥逆变电路的控制，在载波信号之间产生一定相位差，从而使2个PWM三相全桥逆变电路以二重化方式工作。电网侧变流器单元共用直流母线，通过电抗器连接。直流侧电压在正常工作时是1100V，交流输出电压是690V。

二重化方式的采用能使滤波电抗器容量减小、等效开关损耗降低、开关频率提高，还避免了器件并联带来的均流问题，控制方式灵活，扩容方便，模块化设计简单。

2 电机侧变流器控制策略

采用矢量控制作为电机侧变流器的策略，其基本控制思想是：模拟控制直流电机的方法，即经过正交变换按照功率与磁势的不变原则，把静止三相坐标系转化成旋转两相垂直坐标系。把定子电流矢量在坐标系里分解为2个依据转子磁场定向的直流分量、，它们分别是转矩电流分量与励磁电流分量。电机侧变流器控制结构见图2。为了实现转矩与磁链的解耦控制，分别对2个直流分量进行控制，调速的效果可与直流电机媲美。

图2 电机侧变流器控制图

文中采取的空间矢量移相技术，是在传统的空间矢量三相控制技术基础之上，结合定子绕组的电机空间结构而完成，因而实现相对简单，并且接近空间矢量解耦技术的控制效果。

3 电网侧变流器控制策略

存在2个对电网侧的控制目标：（1）保持直流电压恒定；（2）并网单位功率因数。采用电流、电压双闭环的策略，以达到所述的控制目标。根据基尔霍夫定律在旋转两相垂直坐标系下，可得参考坐标系下PWM变换器存在以下关系：

图3 电网侧变流器控制图

各变流器采用独立的电流指令控制方式，实现双重化电路的控制电路。各变流器的电流指令和电流输出作减法，通过PI型控制器产生调制波，再跟载波三角波信号作比较，分别各自生成PWM控制信号。其中需要注意错开2个单元载波信号180°，图3是一个PWM单元控制策略的举例说明。

可以采用SVPWM或者SPWM来对电网侧控制，采用SVPWM可以使直流电压利用率提高，因此采用移相SVPWM作为电网侧的控制策略。内环是电流环，按照外环电压输出的指令电流进行电流的相应控制，例如实现无功补偿、单位功率因数等；外环是电压环，以使直流母线的电压维持稳定，其输出用作指令有功电流的信号。对变流器并网进行双环控制系统设计时，一般由内到外，采取先内环电流设计再外环直流电压整定。因为存在电流内环，只需限幅指令电流就能完成过流保护。通常把无功电流给定指令为0，从而实现单位功率因数的控制。

在系统中采用了直接电流控制，由于把交流侧的电流反馈引入，因而能实现快速响应。对电流的控制也是在坐标系里完成的。

在电网电压定向基础上的电流、电压双闭环矢量控制方案，是电网侧的变流器控制策略。仿真和建模实验结果使模型的有效性、正确性得到验证，证明其完成了无功与有功解耦控制，电网馈入的谐波畸变率微小，注入电网的是正弦波电流。

4 控制系统总体设计

2.5MW变流器并网控制系统的总体结构主要包括3个部分：远程监控、系统逻辑控制与变流器控制，如图4所示。最高层级的控制是远程监控，作用是控制与监视风力发电装置的整体运行状态。采用PLC可编程序控制器作为系统逻辑控制的控制核心，主要完成机械和电气设备的逻辑控制、保护系统及处理故障等。变流器控制主要采用TMS320F2812芯片作为DSP处理器，完成算法控制、生成PWM脉冲及系统保护等。

图4 控制系统总体结构

本系统的核心是设计驱动电路，整个系统全部选用IGBT作为开关器件，所以对于系统的可靠、稳定、安全运行来说，IGBT保护电路和驱动电路的设计有重要意义。本文中的关键是设计和选取驱动电路，智能化IGBT采用Concept瑞士公司所产的SCALE驱动板2SD315AI，可以驱动2单元1700V/ 1200A的IGBT。为了使逆变器运行正常，须设计必要的保护电路，本系统中除了在驱动模块内已经集成了欠压监测、过流与短路保护等功能，另外还设计了电网断电、IGBT过热、过电流、过电压等相对完善的保护。

5 实验结果与分析

采用前文介绍的控制策略与主电路结构，研制出一台2.5 MW的直驱型永磁风电机组的并网控制系统，并开展了研究实验。同时采用环流实验，验证其在大功率下的运行特性。

实验电路的原理见图5，其中一个变流器的控制采用电流环，在逆变状态工作，用于确定环流功率大小；另一个变流器控制采用双闭环，在整流状态工作，用于直流电压稳定。由于采用的调制方式不同，进行环流功率实验时，流过2个变流器的电流波形也不同。当调制方式采用SVPWM时，3次谐波电流将流过2个变流器的电流中。而当调制方式采用SPWM时，只有开关次纹波与基波存在于每个变流器的三相电流中。故此，采用SPWM调制方式用于环流功率时。

图5 环流功率电路原理图

在实验时交流电压690V，直流电压是1100V。900A电流时逆变侧电压与电流的波形如图6所示，其中经过电压互感器后的副边电网a相电压波形是a，跟a相电压同相。图6显示，a相逆变侧电流与电网a相电压反相，说明系统运行在单位功率因数；经过分析谐波，电流值是3.8%。图7显示出直流母线在稳态时的电压波形。

图6 功率环流电流电压波形

图7 直流母线的电压波形

6 结语

本文阐述了直驱型永磁风电机组并网控制系统的控制策略和结构，采用双重化的二PWM变流器方式，开展了研究实验，研制出690V/2.5 MW风电机组并网控制系统。实验结果与分析说明，采取该控制电路与控制策略的风电系统，能完成无功功率与有功功率的解耦控制，通过并网变流器进行双向的能量传递，并网特性优异，谐波成分少，电网的注入电流为正弦波，具有实用前景与应用价值。

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Research on grid-connected control system for direct-drive permanent-magnet wind turbine

XIE Wei1,2

The system working structure and principle of grid-connected control system for direct-drive permanent-magnet wind turbine were discussed,and control circuits and strategy of generator and grid sides were studied.Usingmulti-parallel connection converters,current based on beamed grid voltage and double-closed-loop vector controlmode,the grid inverter control was designed.By controlling theAC-DC-AC double PWM converter, on this basis,a unit generator process of grid-converter for 690V/2.5 MW direct-drive permanent-magnet wind turbine was simulated.Experimental results show that the control circuits and strategy is effective and correct,the power can flow from the generator to supply or the reverse direction,the generator controlhas excellent static and dynamic performance.

direct-drive wind turbine;permanent-magnet synchronous generator(PMSG);grid-connected;converter; vector control

TM 315

A

1002-087 X(2014)10-1907-03

2014-03-20

北京电子科技职业学院重点课题(YZKB2013010)

谢维(1971—)，男，陕西省人，博士，教授，主要研究方向为可再生能源发电并网技术、智能电网体系架构、电力系统运行与控制。