风电系统变流器控制策略研究

李春亚，陈光伟

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460)

0 引言

随着风力发电技术的发展，直驱风电机组由于发电成本低、效率高等优点成为风电系统新的发展方向。作为风电系统并网的唯一通道，变流器控制技术对于风电系统至关重要。随着电力电子技术的发展，变流系统已由不可控整流+Boost升压电路+PWM逆变结构逐渐被双PWM结构所替代[1]。机侧变流器通过调节定子d、q轴电流，在额定风速以下实现最大风能的追踪，控制发电机输出电磁转矩和有、无功功率的大小，提高风能利用率。网侧通过对d、q轴电流调节，实现直流母线电压的稳定和有、无功功率的解耦控制。本文对额定功率2 MW的永磁直驱风电机组变流器控制系统进行研究，通过仿真实验验证控制策略的可行性。

1 永磁直驱风电系统数学模型

永磁直驱风电系统主要由风力机、永磁同步发电机及双PWM变流器几部分组成。本文重点研究风速低于额定风速的阶段，即实现最大风能的追踪[2]。

1.1 风力机数学模型

风力机输出功率P(W)与风速v(m/s)的关系表示为：

(1)

1.2 永磁同步发电机数学模型

机侧变流器采用基于转子磁场定向的矢量控制技术[3]。在同步旋转dq坐标系下永磁同步发电机定子的电压方程为：

(2)

其中：ud、uq和id、iq分别为定子端电压和电流的d、q轴分量；Rs、Ls分别为定子绕组电阻、电感；ωr为发电机同步电角速度；Ψf为转子永磁磁链。

永磁同步发电机输出电磁转矩为：

(3)

其中：p为电机极对数。

2 双PWM变流器控制策略

2.1 机侧变流器控制策略分析

通过式(3)可知，电磁转矩Te与iq成正比，通过控制电流iq即可实现对电磁转矩的控制，进一步控制电机转速ωm，实现最大功率的跟踪控制。由式(2)可知，定子电流id、iq是相互耦合的，为实现线性化控制，对两个新的输入量重新定义并进行拉氏变换可得：

(4)

2.2 网侧变流器控制策略分析

风速变化时，网侧变流器控制目标在保证并网电能质量达到并网标准的基础上，实现直流侧电压的稳定控制。

本文研究选取电网侧电压矢量方向为d轴，可得到电网侧变流器电压方程为：

(5)

其中：Rg、Lg分别为电网侧线路等效电阻、电感；ωg为电网同步电角速度；Vgd为电网电压Vg的d轴分量；ugd、ugq和igd、igq分别为网侧变流器控制电压和电流的d、q轴分量。

图1 机侧变流器控制原理图

选取d轴电网电压定向，Vgq=0，Vgd=|Vg|，输送到电网的有、无功功率分别表示为：

(6)

3 仿真结果分析

通过对变流器控制策略的分析，基于MATLAB/Simulink仿真平台，搭建永磁风电机组整机仿真模型。风电机组仿真参数为：额定风速v=12 m/s，机组额定功率为2 MW，风轮半径R=38.7 m，电机极对数p=40，直流侧电压为1 500 V。仿真时间为2.5 s，风速变化曲线如图3所示，风速在1 s～2 s内，由8 m/s渐变至额定风速12 m/s。直驱风电系统仿真曲线如图4所示。

图2 网侧变流器控制原理图

图3 风速变化曲线

图4 直驱风电系统仿真曲线

通过图4(a)、同4(b)仿真曲线可知，在1 s～2 s风速渐变上升中，整个过程发电机的转速能够很好地跟踪参考转速，系统响应较快，扰动结束后，风能利用系数很快恢复到最佳状态，稳定在0.48左右，实现最大功率点的跟踪控制；由图4(c)、图4(d)曲线可知，有功输出随着风速的升高逐渐平稳上升，达到额定风速12 m/s时，输出功率达到额定值2 MW左右，无功功率维持在0附近；由图4(e)、图4(f)可知，风速变化时，直流侧电压会有微小波动，达到额定风速时，很快恢复到稳定状态，维持在1 500 V左右，并网电流谐波失真较低，THD=1.12%，达到了并网的要求(THD<5%)。仿真结果证明了控制策略的有效性。

4 结论

本文给出双PWM变流器的控制策略，基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建了永磁直驱风电系统的整机仿真模型。仿真结果表明：风速变化时，该控制系统能够保证风电机组的稳定运行，变流器控制实现了最大风能的捕获和直流侧电压的稳定。本文建立仿真模型对控制策略进行验证，对实践具有重要的指导意义。

参考文献：

[1] 王硕，金新民，赵新.1.5 MW永磁直驱风电并网变流器矢量控制的研究[J].电力电子技术，2011，45(11)：41-43.

[2] 刘景利，张友鹏，高锋阳. 永磁直驱风电变流器控制策略及仿真研究[J].电源技术，2012，36(4)：554-557.

[3] 程鹏，李国祥.浅述永磁直驱风电机组变流器的控制策略[J].变频器世界，2013(2):49-56.

[4] 刘军,吴琼. 永磁直驱风电系统网侧变流器控制策略研究[J]. 控制工程,2015(1):20-24.