直驱风力发电系统变流器控制措施

戚绪南

（华北水利水电大学电力学院，河南 郑州450045）

直驱风力发电系统变流器控制措施

戚绪南

（华北水利水电大学电力学院，河南 郑州450045）

目前风力发电技术发展迅速，永磁直驱风力发电系统由于其结构简单、风能利用率高、故障率低、稳定安全等优点而得到广泛应用。变流装置是直驱永磁式风力发电系统中一个重要环节，变流器的控制方式有网侧变流器控制和机侧变流器控制，本文对这两者的控制功能进行了分析。

直驱风力发电系统；机侧变流器；网侧变流器

目前，风力发电技术发展迅速，其具有清洁无污染、安全可靠的特点。永磁直驱风力发电系统通过风力机直接驱动永磁同步发电机工作，经由功率变换电路转换电能再并入电网，省略了齿轮箱等中间环节，从而减少了许多发电系统工作人员的维护工作，并且降低了风电系统的噪音，具有可靠性高、重量轻、效率高的优点[1]。

变流装置是永磁直驱式风力发电系统的电力电子变换环节，作用十分重要，既要给电网提供优质电能，又要完成对风力发电机的控制，还要实现低电压穿越等功能。直驱永磁同步风力发电系统中变流装置的拓扑结构种类并不单一，现将使用较多的罗列如下：（1）机侧部分采用不可控整流+boost升压，网侧部分采用PWM逆变；（2）在机侧部分中采用不可控整流，网侧部分中采用PWM逆变；（3）机侧部分采用相控整流，网侧部分PWM逆变；（4）基于双PWM控制的具备四象限运行能力的功率变流器[2]。目前使用的背靠背双PWM全功率变流器的直驱风电系统相对于前三种来说性能良好而且适用范围广泛，这种控制方案也代表着目前风力发电系统的发展方向。

1 背靠背双PWM永磁直驱变流器

与经典的二极管不可控整流相比而言，机侧变流控制器采用PWM整流可以极大地减少发电机定子电流中丰富的低次谐波，从而降低了发电机损失的铜耗和铁耗，并且PWM整流器最大的优点是可提供接近于正弦的电流，从而使发电机侧部分的谐波电流产生频率减低。控制系统发挥其功用，令永磁同步发电机输出的频率、幅值浮动的电压变为可用的恒频电压，并贴近俘获最大风能的期望。网侧变流控制器工作中希望直流侧电压始终达到稳定，其网侧d轴和q轴电流处于不断调整的状态，完成有功及无功功率的解耦控制，力图流向电网的无功功率保持在一定数值内，常规状况下，系统处于单位功率因数状态，保障注入电网的电能质量符合标准[3]。在风力不可控条件下，双PWM变流器可在最大程度上保障向电网输送品质优良的电能，不会出现电压失去稳定性的状况，力图系统始终处于变速恒频的状态，使风能更大程度上转化为电能，提升风电转化效率，削减风电转化过程中的电机耗能，变流器需要对电网的故障具有强大的适应能力及隔离能力，确保任何状况中永磁直驱风电系统的有序运行。

2 网侧变流器控制

在风电系统中，网侧变流器的主要功能是达到对于直流电压的稳定要求，使输出功率及输出并网符合质量标准。对永磁直驱风电系统而言，网侧变流器多数情况下是在逆变状态实现其功用，其将风力发电机输出的直流电流、电压逆变为交流电，并且达到输出并网标准。网侧变流器需对电网电流实现控制，有评价电流控制性能好坏的标志为能否达到动态响应快、稳态精度高。在此情况下，控制策略一般分以下几种，第一种间接控制措施是通过对变流器桥壁电压的相位幅值进行调控来实现；第二种直接控制措施就是对电流进行直接调控从而建立综合反馈。两者相比，间接电流控制显露出了网侧电流动态响应迟缓、对系统参数的变化要求高的弊端，间接电流控制的实际控制量为变流器交流侧输出电压的相位与幅值，不存在电流反馈，如今有被直接控制措施全面代替的趋势。直接控制措施采用功率环取代了电流内环，对变换器的输入以及输出功率进行直接调整达到平衡，从而更好地稳定母线电压，系统的动静态性能也更接近理想水平。直接电流控制运用的是电流闭环控制法，对于电流改变的反应较为迅速，系统的稳定性和效率性都有相当限度的提升[4]。落实到控制方法上来说，直接控制又分为了许多种类，包括PI控制、滞环控制、重复控制、比例谐振控制、预测控制、模糊控制等，这些方法实现的难易程度各不相同，都有各自的优缺点，有时也会根据具体情况将几种方案结合以便达到更好的控制效果。

3 机侧变流器控制

机侧变流器所起到的作用是对电机进行全面控制，需要实现电机能量输入变流的电磁转矩调节。在对电机侧变流器的研究中，同步永磁电机的数学建模与控制策略是重点。其中控制策略又分为了许多种类，目前使用广泛的有无速度传感器控制、电机矢量控制、直接功率控制、直接转矩控制等。另一方面，实行最大功率跟踪控制可以一定程度上提高风能利用率。其中，典型控制原理有叶尖速比法、功率信号反馈法和爬山法等。叶尖速比法在实现时需对风轮上的精确风速进行检测，通过控制达到使叶尖速比维持在最优值的目的，这种方法比较直观，但是不同风机存在不同风电机特性，会对其最优Cp值产生影响，需要具体系统具体分析。功率信号反馈法控制参考了转速与最大功率之间的关系，采用不同算法具有不同特点：可检测风速以代替风机转速；可应用模糊控制；也可利用神经元算法修正风机最大功率曲线，最终使得机组达到在不同转速下输出功率能跟随指令值的目的。爬山法利用频繁调整功率指令来使机组的输出功率逐渐靠近最大值。使用这种方法不需要考虑控制算法同风机及发电机特性之间的关系，这是爬山法的一个优点，这对于变速风机而言，省去了预先计算与实验的步骤，能更好的实现控制。

4 结语

目前，直驱风电系统技术成为风力发电领域热点研究方向。本文介绍了采用背靠背双PWM全功率变流器的直驱风电系统，研究了直驱风电系统机侧以及网侧变流器控制策略，可为后续学习工作和工程实践提供参考和借鉴。

[1]王陈晨.直驱永磁同步风力发电机组低电压穿越技术的研究[D].东北电力大学，2015.

[2]张 磊，朱凌志，姜达军，等.直驱风电机组模型构建方法及其实现[J].电网技术，2016，40（11）：3474-3481.

[3]熊 恒.直驱永磁同步风力发电机组研究及相关问题阐述[J].科技创新与应用，2016（26）：202-202.

[4]叶 鹰，王 倩.永磁直驱风力发电系统及变流器控制措施[J].时代农机，2016，43（1），26-29.

The Control Measures of Direct-drive Wind Generation System and Converter

QI Xu-nan
（North China University of Water Resources and Electric Power College of Electric Power，Zhengzhou Henan 450011，China）

At present，wind power generation technology has developed rapidly.Permanent magnet direct-drive wind generation system has been widely used because of its simple structure，high utilization rate of wind energy，low failure rate，stability and safety.Converter is an important part of direct-drive permanent magnet wind generation system.The control modes of converter are line side converter control and generator side converter control.This paper analyzes the control function of the converter.

direct-drive wind generation system；line side converter control；generator side converter control

TM46

A

1672-545X（2017）08-0271-02

2017-05-03

戚绪南（1993-），女，河南南阳人，硕士在读，研究方向：新能源发电。