兆瓦级永磁直驱式三电平风电系统网侧控制的研究

高红岩　汪雅芸

摘要：针对兆瓦级永磁直驱风电系统，本文采用三电平二极管箝位型变流器作为网侧变换器，带解耦控制器的电压定向的控制策略。建立了永磁直驱风电网侧的数学模型，分析了电压定向控制的机理，实现了稳定直流侧电压，向电网提供高质量的电能；通过Matlab软件进行了仿真分析，验证了该系统符合兆瓦级永磁直驱风电并网的要求。

关键词：永磁直驱风电；三电平二极管箝位型变流器；电压定向的控制

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2017）12-0090-01

Abstract： This paper focuses on the grid-side converter and the grid voltage oriented control of which is used for the MW-level direct-drive permanent-magnet wind power system. A diode-clamped three-level converter was used as the grid-side converter. The grid voltage oriented control is elaborated. Simulation model is built with Matlab. It can achieve the DC side voltage maintains steady well. High-quality electricity is fed into the grid.

Key words： direct-drive permanent-magnet wind power system； diode-clamped three-level converter； voltage oriented control

引言

风电技术发展迅速，永磁直驱型风电系统省掉了齿轮箱、电励磁装置，可靠性和效率大大提高 [1]。为了使直驱风电系统向电网输入高品质电能，多电平变换器因其输出电压等级高、谐波含量少更接近正弦波被广泛关注[2]。本文采用二极管箝位型三电平变流器作为兆瓦级永磁直驱风电系统的网侧变流器。二极管箝位型三相三电平变流器简称为三电平变流器。控制策略上采用电压定向控制，实现永磁直驱风电系统的直流母线电压稳定、向电网输送谐波含量少的高品质电能，通过Matlab仿真验证了理论和控制策略的正确性。

1 网侧的结构和数学模型

永磁直驱三电平风电的拓扑结构如图1所示。为了分析简便，假设：电力电子器件均为理想的器件，把永磁直驱风电机侧等效为电阻和受控电流源串联结构[3]。

直流母线电压为E，两个直流母线电容串联分压，每个电容的电压为E/2。当 A相的开关器件Sa1、Sa2 闭合，输出电压uAO为E/2；当Sa2、Sa3 闭合，输出电压为0；当Sa3、Sa4 闭合，输出电压为-E/2。B相和C相也是如此，所以三相输出电压uAO、uBO、 uCO为三电平E/2、0、-E/2。输出线电压由uAB=uAO—uBO得到为五电平E、E/2、0、-E/2、-E。

根据图1可知，电网电压的方程经过abc三相静止坐标系变换成dq同步旋转坐标系后，得到交流侧输出电压在dq轴坐标系下的数学模型为：

其中，idg、iqg为交流侧电流d、q轴分量；udg、uqg为电网电压d、q轴分量； udi、uqi为变流器输出电压d、q轴分量；ωg为同步坐标系下的旋转角速度。

2 网侧的控制策略

控制策略采用带有解耦控制器的电压定向控制。电网电压定向控制是將三相电网电压uga、ugb、ugc通过abc/ dq变换为 udg、uqg，并且令udg=vg，uqg=0，其中：vg为电网电压的幅值，则实现了电网电压的定向控制。

采用PI控制器调节电流和电压，在前馈解耦控制下，交流侧输出电压的表达式变为：

其中：（k1+k2/S）为PI控制器传递函数； idg*、iqg*为电网d、q轴电流分量参考值。

3 仿真分析

利用Matlab搭建网侧控制的模型。受控电流源在0s到0.4s设定为1000A， 在0.4s到0.6s设定为500A，直流侧参考电压设定为1050V。

图2为直流侧电压值，直流侧参考电压值为1050V，在PI调节器调节电压下，0.06s时直流侧电压稳定到参考电压值1050V。

图3为输入到电网中的三相电流，0.06s时波形趋于稳定， 三相波形平滑稳定，接近正弦波，0.06s至0.4s电流的幅值为1700V，在0.4s至0.6s电流的幅值变为1000V。

4 结论

本文在理论上分析了永磁直驱三电平风电网侧结构的数学模型，采用带解耦控制器的电压定向控制策略，并利用Matlab仿真分析，验证了采用三电平变换器输出电平数多谐波含量少，带解耦控制器的电压定向控制策略能够稳定直流侧电压、输入到电网的电能更接近正弦波。

参考文献

[1]张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012：228-230.

[2]李晖，王丹，李庚银.永磁直驱风电系统网侧换流器混合控制策略研究[J]. 电力建设，2017，38（6）：133-139.

[3]郭瑾，王雷.永磁直驱变速恒频风电系统并网逆变器研究[J]. 电力电子技术，2017，51（10）：24-26.

注：武汉铁路职业技术学院校级课题，课题编号：Y2016025