基于TSMC 的直驱式永磁同步风电系统并网控制策略

邱增广，王宇雷

（中国矿业大学电气与动力工程学院，徐州 221000）

双PWM 变换器由于直流侧需要较大电容，造成系统的集成度低[1]，并且输出频率范围窄，谐波污染严重。双极矩阵变换器（简称TSMC）直流侧无需滤波电容，集成度高，并且功率可双向流动、输入功率因数可调，因此TSMC 非常适合作为变速恒频风力发电系统的功率变换器。

本文分析了TSMC 的双空间矢量调制策略，建立了其逆变级的并网数学模型，研究了基于TSMC 的直驱式风力发电系统的集成控制，使并网的有功功率跟踪发电机输出的功率，实现了单位功率因数输入的控制目标。最后本文通过Matlab/Simulink 仿真研究验证了该控制策略的有效性。

1 TSMC 双空间矢量调制策略

TSMC 的拓扑结构如图1所示。如果能保证直流侧电压极性为正，整流级可采用双向开关（由两个单向开关组成），逆变级可采用单向开关。

图1 TSMC的拓扑结构

1.1 整流级的空间矢量调制策略

当整流级某一相开关全部导通，另两相开关全部关断时，输入为零矢量，直流侧电压为零。而某一相上桥臂和其他相下桥臂开关导通的组合状态有六种，即六个输入电流有效空间矢量I1～I6[2]。如图2（a）所示，“1”表示该相同p 极相连的开关导通，“0”表示该相同n 极相连的开关导通，“Z”代表该相上下开关全部断开。例如“Z10”表示b 相与p 极相连的开关导通，c 相与n极相连的开关导通，其余开关断开。电流参考矢量Ir可由其相邻的两个有效空间矢量及零矢量合成，如图2（b）所示。

图2 整流级的空间矢量调制过程

1.2 逆变级的空间矢量调制策略

定义开关变量SA、SB、SC表示六个开关的通断状态。当Si=1（i=A，B，C）时，表示相应桥臂与p 极相连的开关导通，与n 极相连的开关关断；当Si=0（i=A，B，C）时，表示相应桥臂n 极相连的开关导通，与p 极相连的开关关断。如“011”表示A 相与n 极相连的开关导通，B、C 两相与p 极相连的开关导通，其余开关断开。逆变级六个开关共有八种组合形式，包括六个有效空间电压矢量U1～U6和两个零矢量，如图3（a）所示。输出端线电压参考矢量Ur可由相邻的两个有效空间矢量以及零矢量合成，如图3（b）所示。

图3 逆变级的空间矢量调制过程

1.3 整流级和逆变级的协调控制策略

整流级和逆变级的协调控制策略如图4所示。在一个PWM周期内，整流级输出两段线电压和一个零电压，如图4（a）所示。逆变级的协调如图4（b）所示，在两段线电压下分别进行一次调制，且在两段线电压作用下使用相同的有效空间矢量和占空比。在整流级输出零电压时，逆变级输出零矢量。如果将逆变级的零矢量分配在整流级开关的切换处，则可实现整流级零电流换流[3]，如图4（c）所示。

图4 两级的协调控制策略

1.4 两级电压变换关系

整流级在一个PWM 周期内的关系为：

式中，Uav为直流侧平均电压；Trec为整流级开关函数；Ui为三相输入相电压；mc为整流级调制系数；ωi为输入相电压角频率；αi为输入功率因数角。当Ui为理想三相电压时，Uav为：

式中，Uim为理想输入相电压幅值。

逆变级在一个PWM 周期内的关系为：

式中，Uout为TSMC 三相输出线电压；Tinv为逆变级开关函数；mv为逆变级调制系数；ωo为输出线电压角频率；βo为输出线电压初相位。

2 TSMC 逆变级并网数学模型

图5 TSMC逆变级并网电路图

TSMC 逆变级并网电路图如图5所示，根据基尔霍夫电压定律，TSMC 逆变级并网三相电压回路方程为：

采用按电网电压合成矢量定向的旋转变换[4]，将式（5）代入式（4）可得：

式中，ωg为电网电压角频率。

通过式（6）求取TSMC 逆变级参考相电压，然后将各相两两相减，从而得到逆变级参考线电压，最终实现对TSMC 的控制。

3 风电系统集成控制策略

由于dq 坐标系的d 轴是按电网电压合成矢量定向，因此uq=0。则可将式（6）的TSMC 逆变级并网数学模型重写为：

在dq 坐标系下，TSMC 传输到电网的有功功率和无功功率[5]分别为：

基于TSMC 的直驱式风电系统的集成控制框图如图6所示。

图6 基于TSMC直驱式风电系统控制框图

TSMC 逆变级采用双闭环控制[6]。外环为功率环，使并网的有功功率跟踪给定的有功功率，并网的无功功率为零，外环输出为电流内环的给定值。内环为电流环，ed-Lωgiq和Lωgid为交叉耦合电压补偿项[7]，用来实现dq 轴电流的解耦控制，将电流内环的输出分别加上补偿项，便得到dq 轴控制电压分量，经过坐标变换形成逆变级的调制信号。由于并网的有功功率跟踪可通过逆变级控制实现，因此整流级无需再进行闭环控制，使得系统的控制策略得到简化[8]。

4 仿真结果

本文研究的基于TSMC 的直驱式永磁同步风电系统是利用Matlab/Simulink 搭建的仿真模型。风速给定为：在0～0.3s 为6.50m/s，0.3～0.6s 为6.10m/s，0.6～1.0s 为6.80m/s。图7为逆变级并网电流和网侧电压，并网电流和电网电压相位差为零，实现了单位功率因数输入。图8为有功功率给定以及并网的有功功率和无功功率，并网的有功功率能够较好的跟踪有功功率给定，无功功率近似为零，并且该系统具有良好的动态性能和稳态性能。

图7 逆变级并网电流和网侧电压

图8 有功给定以及并网的有功和无功功率

5 结束语

本文将TSMC 作为直驱式永磁同步风力发电系统的功率变换器，通过研究TSMC 直驱式风力发电系统的集成控制策略，实现了并网功率的单位功率因数输入。整流级无需再进行闭环控制，使得系统的控制策略得到简化。仿真实验表明直驱式风电系统采用本文所研究的控制策略具有良好的动静态性能。