1.5 MW直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器控制策略的研究

程樂++滿于維

摘 要：主要對(duì)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器主回路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出了一種采用被動(dòng)整流+Boost升壓電路的架構(gòu)，可使電機(jī)側(cè)控制簡(jiǎn)化，不再需要復(fù)雜的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁場(chǎng)估計(jì)算法。研究?jī)?nèi)容主要包括變流器主回路的設(shè)計(jì)、電機(jī)側(cè)Boost電流控制和網(wǎng)側(cè)變流器的并網(wǎng)電流控制。

關(guān)鍵詞：主回路；變頻器；整流器；網(wǎng)側(cè)逆變器

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.086

1 概述

直驅(qū)機(jī)組采用永磁同步電機(jī)、無(wú)增速齒箱設(shè)計(jì)和全功率變頻器，可實(shí)現(xiàn)功率的柔性控制。該功能的主要意義在于控制風(fēng)電場(chǎng)的整體出力，特別是在大風(fēng)天氣下可通過(guò)控制風(fēng)電場(chǎng)的輸出，配合電力系統(tǒng)調(diào)度生產(chǎn)電力，以保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。本文對(duì)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)變流器進(jìn)行了理論分析，計(jì)算了主回路參數(shù)，并對(duì)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的控制方法展開了研究。

2 直驅(qū)風(fēng)電并網(wǎng)變流器主電路的設(shè)計(jì)

在直驅(qū)并網(wǎng)變流器技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了變流器主電路的各個(gè)環(huán)節(jié)，主要包括電機(jī)側(cè)補(bǔ)償電容的設(shè)計(jì)、被動(dòng)整流單元的設(shè)計(jì)、Boost（升壓）單元的設(shè)計(jì)、直流母線電容的設(shè)計(jì)、網(wǎng)側(cè)逆變單元的設(shè)計(jì)和并網(wǎng)LCL濾波器的設(shè)計(jì)。采用這種拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)有以下3點(diǎn)：①采用被動(dòng)整流，電機(jī)側(cè)電流為連續(xù)量，因此，系統(tǒng)的du/dt很低，接近于0；②采用三相四線制，直流母線接地，大大降低了共模電壓；③被動(dòng)整流+Boost升壓電路的架構(gòu)可使電機(jī)側(cè)控制簡(jiǎn)化。

3 主回路控制器的設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)側(cè)Boost電流控制

電機(jī)側(cè)采用不控整流的電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)升壓斬波器調(diào)節(jié)其輸入電流、控制發(fā)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)。

在風(fēng)電系統(tǒng)中，變流器發(fā)電機(jī)側(cè)電路的主要功能是從發(fā)電機(jī)最大可能地拉取功率，并注入直流母線。設(shè)定Boost電流參考可保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在最大功率點(diǎn)附近（或按照設(shè)定功率曲線）運(yùn)行。

在此系統(tǒng)中，設(shè)定Boost電流參考保證系統(tǒng)按照設(shè)定功率曲線運(yùn)行的功能由主控GH策略完成。主控根據(jù)GH策略計(jì)算得到的發(fā)電機(jī)功率設(shè)定除以變流器的整流電壓，即可得到Boost電流設(shè)定，并通過(guò)通訊電纜將設(shè)定指令傳遞給變流器。

發(fā)電機(jī)輸出經(jīng)不可控整流后，經(jīng)過(guò)Boost升壓電路注入直流母線電容，將電感電流控制為給定直流量。升壓電路電流模型如下：

. （1）

式（1）中：L為升壓電路電感值；i為電感電流；Vrec為不可控整流后電壓；S為Boost電路開關(guān)函數(shù)；Vdc為直流母線電容電壓。

設(shè)開關(guān)周期為T，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)IGBT導(dǎo)通時(shí)間所占的比例為d，即占空比。當(dāng)在開關(guān)周期足夠短的情況下，可近似認(rèn)為整流電壓Vrec和直流母線電壓Vdc在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)保持恒定，則當(dāng)Boost電路IGBT導(dǎo)通時(shí)，S=0，電感電流上升，且：

. （2）

當(dāng)Boost電路IGBT關(guān)斷時(shí)，S=1，電流經(jīng)上橋臂二極管續(xù)流，電感電流下降，且：

. （3）

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，Boost電流的變化可近似為：

Vrec·dT+（Vrec-Vdc）·（1-d）T （4）

由式（4）可得到一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)Boost電流的平均變化近似為：

. （5）

式（5）即為Boost電路的平均電流模型。當(dāng)在開關(guān)周期足夠短的情況下，該平均電流模型具有可用的精度保證。由Boost電路的平均電流模型可發(fā)現(xiàn)，Boost電流與占空比的補(bǔ)（1-d）為簡(jiǎn)單的積分關(guān)系，即：

. （6）

采用上述系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)會(huì)變得非常容易。采用PI控制器

時(shí)，比例系數(shù)可以選擇 （或比此值略小，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定

裕度），再加入一小的積分環(huán)節(jié)以補(bǔ)償模型誤差和擾動(dòng)即可。

3.2 網(wǎng)側(cè)變流器的并網(wǎng)電流控制

變流器網(wǎng)側(cè)電路的主要功能是穩(wěn)定直流母線電壓和向電網(wǎng)輸送電能，還可偵測(cè)電網(wǎng)故障。

Freqcon 1.5 MW變流器采用三相四線并網(wǎng)逆變器，三相電流控制獨(dú)立，其逆變器狀態(tài)模型為：

. （7）

式（7）中：Ua，Ub和Uc分別為三相電網(wǎng)電壓；ia，ib和ic為逆變器三相電感電流；Sa，Sb和Sc分別為三相橋臂的開關(guān)函數(shù)。

當(dāng)某相逆變器的上橋臂導(dǎo)通時(shí)， ，逆變器并網(wǎng)電流增

大；反之，當(dāng)某相逆變器的下橋臂導(dǎo)通時(shí)， ，逆變器并網(wǎng)

電流減小。需要注意的是，任何一相橋臂的上、下開關(guān)管無(wú)法同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，會(huì)造成直流母線短路。在實(shí)際控制中，會(huì)在上、下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)中添加死區(qū)，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，上、下橋臂均為關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)，電流通過(guò)IGBT反向并聯(lián)二極管續(xù)流。

與Boost電流控制模型相同，當(dāng)開關(guān)周期足夠短時(shí)，可得到的逆變器平均電流模型為：

. （8）

式（8）中：dia，dib和dic分別為第i相橋臂上管的導(dǎo)通占空比。

與Boost電流控制相同，各相電流與占空比（di-0.5）為簡(jiǎn)單的線性積分關(guān)系，通過(guò)簡(jiǎn)單的PI控制器即可有效控制逆變器并網(wǎng)電流。

變流器目前使用模擬變流板，對(duì)并網(wǎng)電流的控制回路依靠

電網(wǎng)電壓的前饋控制。令占空比前饋分量 ，則上

述平均電流模型可變換為：

. （9）

綜上所述，增加前饋控制回路后，新的平均電流模型與電網(wǎng)電壓無(wú)關(guān)，從而消除了電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流控制的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種分開控制電機(jī)側(cè)變流器與電網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略。在本策略中，電機(jī)側(cè)采用被動(dòng)整流+Boost升壓電路的架構(gòu)，這樣可簡(jiǎn)化電機(jī)側(cè)的控制。當(dāng)風(fēng)機(jī)處于額定風(fēng)速以下時(shí)，可很好地通過(guò)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速獲取最大風(fēng)能和穩(wěn)定直流側(cè)電壓；當(dāng)風(fēng)機(jī)處于額定風(fēng)速以上時(shí)，控制葉片的角度可保持機(jī)組在額定功率范圍內(nèi)運(yùn)行。此外，該系統(tǒng)在電網(wǎng)側(cè)可保持網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)運(yùn)行，具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

參考文獻(xiàn)

[1]肖磊.直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2009.

〔編輯：張思楠〕