基于背靠背PWM变流器的风机控制策略研究

董浩文 赵晏平 章心因 董知昊 陈兆艺

摘 要：选取基于背靠背双PWM拓扑结构的永磁同步风力发电机，通过时间序列的跟踪风速预测获取最佳叶尖速比，以实现最大功率跟踪。现首先采用SVPWM技术控制空间电压矢量，使电机稳定运行，其次搭建相应控制模块模型，最后通过仿真软件，验证模型相关性能。

关键词：背靠背PWM;最佳叶尖速比法;SVPWM;仿真建模

0 引言

随着清洁能源的普及，风能已成为电力系统内不可或缺的一部分，如今常用的风力发电机有永磁同步风力发电机，其机组并网问题较为复杂，若直接并网，风机发出的交流电性能不稳定，其频率和幅值会实时变化，可能会对电网产生瞬间冲击电流;若电网电压降低或抬升，也会影响同步发电机定子侧电流，造成风电机组运行不稳定，进而影响并网。因此，应用全功率变流器将电网和风力机组隔离，使网侧逆变器发出的电流频率和幅值与电网同频同相。

1 变流器拓扑结构

如今常用的变流器结构有两种：（1）机侧不控整流器+boost升压斩波电路+网侧PWM逆变器;（2）双PWM控制的功率变换器。

对于（1）而言，因采用不控整流器，故输出为非线性直流，其具有很大的谐波，部分能量由谐波分散，进而使直流电压低于期望值，必须加入boost升压电路和斩波电路将电压抬升至可逆变并网的直流母线电压并在一定程度上消除谐波，但该变流器结构谐波仍然很大，且不具备四象限运行能力。因此选择具有恒定输出直流母线电压并能够通过调节交直轴电流进而调节电磁转矩的背靠背PWM变流器[1]进行建模。

2 变流器控制策略

2.1    最大功率跟踪策略

对风机而言，一定的桨距角对应一定的风能利用系数曲线，有如下关系：

式中：Pω为风机输出机械功率;ρ为空气密度;A为桨叶受风面积;Vω为风速;Cp为风能利用系数;λ为叶尖速比;β为桨距角;λi为中间变量;ωω为风机转速;R为风机叶轮半径。

由公式可以看出，风能利用系数直接决定着风机输出的机械功率，且在恒定功率的情况下，桨距角越大，风能利用系数越低。因此，当功率低于额定功率时，可以通过调节励磁来调节转矩进而调节输出功率，实现最大风能跟踪;而当功率高于额定功率时，可以适当增大桨距角使功率稳定在额定功率处，在风能利用系数曲线中记式（5），风能利用系数曲线如图1所示。

即在最佳叶尖速比λopt时具有最大风能利用系数，因此为使风机工作在最大功率处，采用最佳叶尖速比法，其控制原理如图2所示。

由图可知，为了使得λ维持在λopt处，要引入控制原理中的负反馈，根据风速，实时调整风机转速，使其比值与参考叶尖速比相比较，而此处必须要预先知道风速，故引入常用的时间序列预测方法，构建SARIMA（p，d，q）（P，D，Q）的含季节成分时间序列预测模型：

2.2    空间电压矢量PWM控制技术

为了使同步发电机转子稳定转动，需控制发电机定子感应磁场矢量以恒定速度旋转，且大小不变，而磁场由电流产生（F=Ni），因此需要控制电流矢量大小不变，且在空间匀速旋转。由此引出SVPWM技术，其中，六拍逆变器如图3所示。

由此可知，要控制电压向量为圆形旋转向量，而上图的六拍逆变器只能控制其为六个基本矢量，因此采用SVPWM，其原理为任意一个矢量均可以由其所在扇区的两条矢量合成，相应电压空间矢量六边形如图4所示。

因此，可以不断变换开关，使电压矢量形成一个圆形旋转向量，而工作频率越高，交流电动机的磁通就越接近圆形，其SVPWM控制模块分为扇区判断、时间计算、时间配合和脉冲产生四个模块，搭建的MATLAB/Simulink模型如图5所示。

3 控制策略仿真分析

在MATLAB/Simulink[2]中搭建背靠背PWM变流器的风机模型，设置初始参数定子相电阻为0.009 Ω，电枢电感为0.000 75 H，转矩常数为1.6，转动惯量为0.032 kg·m2，粘性阻尼为0.000 6 N·m·s，极对数为三对极，由于风速实时变化，故以阶跃风速为例进行仿真分析，初始风速为11 m/s，在1 s时变为18 m/s。

若电网电压矢量固定于d轴，则d轴为电流有功分量，q轴为电流无功分量，开始约为0.3 s，q轴电流达到稳定，当1 s风速突变时，相应的电流无功分量也相应改变，而后达到稳定，但d轴有功分量一直都维持在0左右，表明本文实现了有功和无功的解耦控制，交轴电流仿真结果如图6所示。

同时，在1 s时三相交流电流对风速及时作出反应，相应调整三相交流电流大小，表明电机可以及时对风速变化作出反应，仿真结果如图7所示。

在仿真过程中的直流母线电压基本恒定，符合背靠背同步风力发电机整流逆变要求，仿真效果良好，如图8所示。

4 结语

永磁直驱同步风力发电机并网是一个复杂的过程，本文仅从双PWM结构中的控制策略方面进行了相应的分析和仿真，现实并網还有许多问题亟待解决。

[参考文献]

[1] 章心因.变速永磁同步风力发电系统交直流并网低电压穿越技术研究[D].南京：东南大学，2016.

[2] 常波.基于Matlab/Simulink的直驱式永磁风力发电系统的建模与仿真[D].南京：南京理工大学，2012.

收稿日期：2020-11-11

作者简介：董浩文（2000—），男，江苏扬州人，研究方向：电力系统分析。