直驱永磁同步风力发电机组建模与仿真

王旭峰

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001）

0 引言

目前，大规模风电场大多采用双馈异步发电机，但其存在很多缺陷。特别在低电压穿越能力方面，因为双馈机的定子直接与电网相连，当电网发生故障或电压出现波动时会对发电机的正常运行产生很大影响。永磁直驱同步风力发电机（permanent magnet synchronous generator,PMSG）因其没有故障率较高的齿轮传动，噪音小以及维护成本低等独特优势，已经成为风力发电领域重要研究方向。

直驱式永磁同步风电机组需经过全功率变流器才能接入电网，目前应用最多的是“AC-DC-AC”变流方式，其中采用背靠背四象限电压源型变流器的联网方式由于控制灵活而越来越受到重视。

1 永磁同步风电机组结构

该直驱永磁风力系统主要采用双PWM背靠背方案，其结构如图1所示。

图1 直驱风电系统结构示意图

永磁同步发电机定子通过背靠背变流器和电网连接，能够实现网侧的独立控制，并把电网不对称故障的影响最大限度的控制在网侧。机侧PWM变流器的主要作用是控制风力发电机的运行，并实现最大风能跟踪。网侧PWM变流器的主要作用是提供稳定的直流母线电压，并实现网侧的单位功率因数控制。

2 双PWM变流器控制策略

2.1 机侧变流器控制策略

机侧变流器将频率和幅值变化的交流电整流成恒定直流，同时通过调节发电机定子电流的d、q轴分量，进而控制发电机的电磁转矩来完成最大风能捕获。本文采用定子电压定向的定子电流控制方法，取同步旋转坐标系的d轴方向为定子电压矢量的方向，则有usd＝us，usq＝0。

永磁同步电机电流方程[2]：

发电机的功率为：

由式（2）可见，在定子电压定向的坐标系下，有功和无功电流是解耦的。但是由式（1）可见，定子的d、q轴电流除了受定子控制电压usd、usq的影响外还存在耦合项。所以，在发电机的电流内环控制中，需要对定子的d、q轴电流分量分别进行PI闭环控制。在得到相应的控制定压u′sd和 u′sq之后， 分别加上前馈电压交叉项－ωeLisq和 ωeLisd+Es，即可实现电流的解耦控制。

2.2 网侧变流器控制策略

网侧变流器把直流母线电压逆变为与电网电压同频率的交流电，通过调节接收端电流d、q轴分量可以维持直流母线电压稳定，同时对流向电网的无功功率进行控制，实现有功和无功的单独控制。本文以直流电压Vdc和网侧变流器与电网交换的无功功率Qc为控制目标，采用电网电压定向的矢量控制方案，实现有功和无功的解耦控制。选取同步旋转坐标系的d轴方向为电网电压矢量方向，q轴顺着旋转方向超前d轴90°，则ed=E；eq=0。网侧变流器的电压方程为：

式中：ed、eq为电网电压的 d、q 轴分量；ucd、ucq为网侧变流器电压的d、q轴分量。

网侧变流器与电网交换的有功功率Pc和无功功率Qc分别为[3]：

由（4）可知，网侧的有功和无功功率只与d、q轴电流有关，实现完全解耦。但是由式（3）可见，网侧变流器动态模型中还存在相互耦合项。通过前馈补偿法分别加上－ωcLcicq和ωcLcicd，就可以实现解耦。

3 仿真分析

根据上述理论分析，建立仿真模型，仿真参数：额定功率1.5MW，额定电压0.69kV，额定转速18r/min，极对数32，定子电阻0.0001p.u，直流电容30000μF，直流电压25kV，机侧变流器开关频率2kHz，网侧变流器开关频率0.5kHz，风机数量40台，总容量60MW。

该系统共有4个发电单元，每单元出口电压是690V，然后分别经过一个额定容量为20MVA的机侧PMW变流器，将幅值、频率变化的交流电整流为25kV直流电。其中两个单元经过10km直流输电电缆，另外两个单元经过5km直流输电电缆然后共同连接至一个额定容量为65MVA的网侧PWM变流器，将25kV直流电逆变为频率50Hz的690V交流电。再通过额定容量为65MVA，额定电压分别为0.69kV/20kV和20kV/110kV的两个升压变压器，将电能接入110kV的无穷大电网。仿真结果如图2所示。

图2 各参数仿真结果曲线分布

由图2(a)可见，经历1.159s左右的启动阶段后，单台发电机的有功功率能够达到额定功率1.5MW并保持稳定。说明在风电场启动之后，机侧变流器能够控制发电机输出有功功率以实现最佳风能跟踪。由图2(b)可见，在0.74s左右网侧变流器能够实现单位功率因数并网运行；由图2(c)可见，该网侧变流器可以有效维持直流母线电压稳定在25k V；由图2(d)可见，在1.159s时电网高压侧的相电压与给定值相等并且保持稳定，是63.51kV。说明本文采用的网侧变流器控制策略能够维持直流母线电压稳定，同时通过电流解耦控制可以满足有功和无功功率的单独控制。

4 结语

本文分析研究了永磁直驱风力发电系统的工作原理，根据机侧和网侧变流器的控制目标设计了全功率变流器的控制策略。在DIgSILENT/PowerFactory仿真平台中建立了完整的基于双PWM变流器并网的永磁直驱风电系统仿真模型，仿真结果表明系统能很好的跟踪参考值，实现最大风能跟踪以及并网有功和无功的独立控制，验证了该发电场并网技术的可行性。

［1］李杰.直驱式风力发电变流系统拓扑及控制策略研究[D].上海：上海大学,2009：23-25.

［2］王涛.永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真[J].河北大学学报,2011(11)：648-652.

［3］Liserre M,Cardenas R,Molinas M,et al.Overview of Multi-MW wind turbines and wind parks[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics,2011,58(4)：1081-1095.