永磁同步风力发电系统机侧PWM控制研究

刘蔚钊 丁猛 张中辉

摘要：针对永磁同步风力发电系统机侧PWM控制算法进行了研究。介绍了永磁同步风力发电系统的基本组成和原理，比较了不控整流和PWM控制整流的区别。根据矢量控制原理，提出了在永磁风力发电系统中采用全功率变流器对机侧进行控制的有效策略，并设计了一套2 kW的永磁同步风力发电平台进行实验，通过实验结果验证了控制算法的正确性和可行性。

关键词：永磁同步风力发电;PWM整流;矢量控制

0    引言

随着全球化进程的不断推进，近年来全球经济规模快速增长，然而随之而来的日趋严重的环境保护及资源短缺等问题却时刻提醒着人们：解决能源再生利用与可持续发展等问题已刻不容缓。风力发电技术的快速发展使得使用风力发电代替传统化石燃料发电的比例正逐步上升。现代风力发电中应用最为广泛的是双馈风力发电系统和永磁同步风力发电系统。双馈风力发电系统的主要优点在于其变频控制器的最大功率仅为风机总功率的30%左右，这就显著降低了整个系统的成本;但其缺点在于风力发电机对所并电网的波动相对敏感，电网侧电压波动较大时，双馈风力发电系统容易跳闸和脱网。而永磁同步发电系统因为与所并电网是相对隔离的，永磁同步发电机所受冲击很小，寿命较长，故障率相对较低，特别是整个系统对电压波动不甚敏感，可不增加其他辅助设备就实现低电压穿越功能，可以说是电网友好型风机，随着可控硅部件成本的同步降低，永磁同步风力发电系统会逐步主导今后风力发电的发展趋势。

1    永磁同步风力发电系统结构

永磁同步风力发电系统一般都有风轮、永磁同步发电机、机侧PWM控制器、网侧PWM控制器、控制系统等组成部分，图1为永磁同步发电系统拓扑结构图。

永磁风力发电机发出电的频率和电压随风速的改变而时刻变化，所以须将这部分变频变压的电能变换为恒频恒压的电能才可以连接电网，先经过AC/DC变换，然后再经过DC/AC变换[1]。目前，主要差别在AC/DC的控制上，AC/DC控制有以下两种典型的方式：不控整流结合Boost控制和PWM整流器控制。

1.1    不控整流结合Boost变换器控制工作原理

如图2所示，风力发电机发出的交流电，直接经过二极管构成的三相整流桥变成直流电，发电机的转速与负载的大小影响整流电压的大小，通过Boost变换电路校正输入端功率因数，提高PWSG的运行效率，还能使直流母线上的电压保持恒定，进行最大功率点的跟踪，再通过逆变器的控制完成系统并网。

不控整流结合Boost变换器控制的永磁风力发电系统的优点是电路结构和控制思路简单，无需位置、速度传感器，成本较低，只需少量电流和电压传感器即可实现最大功率跟踪（MPPT）;缺点是MPPT的效果较差，电网低电压故障穿越能力不足，复杂风况时控制效果不理想。该控制方式常用于容量较小的风力发电系统或对发电效率和控制效果要求较低的大容量风力发电系统。

1.2    PWM变换器控制整流的永磁风力发电系统工作原理

随着永磁同步风力发电机的单机容量逐步扩大，系统中变流器的电压、电流等级也在逐步提升，因此使用全功率变流器拓扑的永磁风力发电系统受到了更加广泛的关注。如图3所示，全功率变流器采用两个结构上完全相同的PWM控制器构成，其中机侧PWM控制器用于整流，网侧PWM控制器用于逆变。机侧PWM控制器的作用是调节永磁同步发电机输出的电磁转矩，控制永磁同步风力发电机的定子电流呈正弦波，实现转速和功率因数调节，从而使得风力发电机的工况能够满足MPPT的要求。

機侧PWM控制器除了可以控制永磁同步发电机的电磁转矩，还能依据多种控制算法，综合优化永磁同步发电机的耗损、容量利用效率及相应速率等评价因素，以提高整个系统的性能。较不控整流结合Boost控制方式，PWM变换器控制整流的最大功率跟踪效果更好，但成本较高。

2    永磁同步风力发电系统模型

永磁同步发电机在三相静止坐标系里的数学模型是一个多变量的复杂系统，为了便于理论研究，一般会将abc三相静止坐标系下的永磁电机方程转换到两相同步旋转的dq坐标系下，并且我们进行如下假设：

（1）忽略发电机磁饱和线性;

（2）认为磁路线性;

（3）认为永磁体的磁场沿气隙周围正弦分布;

（4）忽略磁滞和涡流效应;

（5）定子绕组三相对称，在空间上互为120°相位角。

采用dq同步旋转坐标，q轴超前d轴90°，定义发电机吸收有功功率为正方向，建立永磁同步发电机数学模型。

定子电压方程为：

uds=Rsids

+-ω1ψqs

uqs=Rsiqs

+-ω1ψds       （1）

定子磁链方程为：

ψds=Ldids+ψf

ψqs=Lqiqs        （2）

电磁转矩方程为：

Te=pn（ψdsiqs-ψqsids）     （3）

式中：uds、uqs为定子上电压d轴、q轴分量;ids、iqs为定子上电流d轴、q轴分量，并以电动机方向为正方向;Ld、Lq为d轴、q轴同步电感，认为恒定;ψds、ψqs为定子磁链的d轴、q轴分量;ψf为转子磁链，认为恒定;Te为电磁转矩;pn为极对数。

联立式（1）（2）可得永磁同步发电机电压方程：

uqs=Rsiqs+Lq

+ω1Ldids+ω1ψf

uds=Rsids+Ld

-ω1Lqiqs    （4）

再结合式（2）（3）可得电磁转矩方程：

Te=pn[ψfiqs+（Ld-Lq）idsiqs]  （5）

由以上公式可知，电磁转矩Te与ids、iqs是相关的，若能使得d轴的ids=0，让定子电流合成矢量完全落在q轴，则Te可以转化为：

Te=pnψfiqs     （6）

3    永磁同步风电系统机侧控制策略

当d轴定向于转子磁极之后，若能使得d轴ids=0，则电机的Te大小与定子iqs正相关，也就是说PWSG的电磁转矩就可以由q轴电流决定[2]。因此，该系统使用双闭环控制策略，其中内环采用d轴ids控制，其目的是控制d轴ids为0，外环采用速度控制，目的是使风机转速跟随参考目标角速度ω1*。控制策略如图4所示。

发电机输出的电流经过变换，在d、q轴的坐标系中变换为d轴、q轴的直流电流ids、iqs。发电机转速跟踪参考目标转速ω1*可以由实时风速和风力发电机最佳功率的函数算出。目标角速度ω1*和风机实际角速度ω1经过PI控制器可以得到目标电流iqs*，iqs*与实际q轴直流电流分量iqs相比较并利用电压前馈补偿得到电压Uqs。根据前文所述，d轴电流的目标值ids*设为0，与实际d轴直流电流分量ids相比较并利用电压前馈补償得到电压Uds。Uqs和Uds经过Park逆变换得到Uα和Uβ，利用SVPWM电压控件矢量调制方法控制三相全桥整流桥。

4    实验验证

为进一步检验理论计算结果的准确性，本课题设计了一套永磁同步风电系统，在实验室环境下，通过矢量变频器控制三相异步电机运行，对拖永磁同步风力发电机转动，通过改变风机电流实现转矩控制，以此进行风力发电，并将产生的电能全部接入市电系统。实验系统结构如图5所示。

系统中电拖部分变频器采用ABBACS550系列矢量变频器，由风速控制软件控制，模拟真实情况下的可变风速。三相异步电机的标称功率为2 200 W，额定转速为1 450 r/min;永磁风力发电机的磁极对数是2对，定子相电阻为0.55 Ω，额定功率2 kW，转动惯量为2.77×10-3 kg·m2，d轴电感为Ld=

2.3 mH，q轴电感为Lq=6.1 mH，额定电流为9.5 A。其中机侧PWM控制器采用三菱IPM模块PM50RL1A120作为功率元件，耐压值1 200 V，电流50 A，由德州仪器的TMS320-

F28335 DSP芯片驱动。风力发电机的转速由连在风力发电机输出轴上的编码器进行采样并反馈至机侧PWM控制器。

永磁同步风电实验系统实物图片如图6所示。

永磁同步风电实验系统在运行过程中，风速设置为从8 m/s逐步提高到10 m/s，此时定子A相的电流和电压幅值都会增大，外部风速变化，有功功率也会相应地变化，系统有较好的响应速率，且能很快稳定，如图7所示。

5    结语

本文基于永磁同步风力发电机的相关特性，提出了一种适用于机侧PWM控制器的控制策略，该策略将机侧控制通过坐标变换进行简化，设定与永磁同步风力发电机电磁转矩无关的电流d轴分量为0，采用双闭环计算电流q轴分量，从而控制发电机组的有功和无功功率。最后，设计并试制了一套2 kW的永磁同步风电实验系统，在实验室环境下，结合软件算法利用矢量变频器仿真风速变化对拖永磁同步风力发电机旋转发电，机侧PWM变换器根据发电机转子的转速和定子电流对输出电能的有功和无功进行控制。实验结果表明，永磁同步风电实验系统机侧PWM控制策略稳定，达到了预期效果。

[参考文献]

[1] 潘文霞.风力发电与并网技术[M].北京：中国水利水电出版社，2017.

[2] 裴家祥，陈雪松，于兵.一种永磁同步风力发电机模型及其控制策略[J].电气工程，2015，3（2）：43-49.

收稿日期：2020-07-31

作者简介：刘蔚钊（1988—），男，江苏南京人，工程师，研究方向：新能源发电控制。