基于背靠背PWM變流器的風(fēng)機(jī)控制策略研究

董浩文 趙晏平 章心因 董知昊 陳兆藝

摘 要：選取基于背靠背雙PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通過(guò)時(shí)間序列的跟蹤風(fēng)速預(yù)測(cè)獲取最佳葉尖速比，以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。現(xiàn)首先采用SVPWM技術(shù)控制空間電壓矢量，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，其次搭建相應(yīng)控制模塊模型，最后通過(guò)仿真軟件，驗(yàn)證模型相關(guān)性能。

關(guān)鍵詞：背靠背PWM;最佳葉尖速比法;SVPWM;仿真建模

0 引言

隨著清潔能源的普及，風(fēng)能已成為電力系統(tǒng)內(nèi)不可或缺的一部分，如今常用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)有永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其機(jī)組并網(wǎng)問(wèn)題較為復(fù)雜，若直接并網(wǎng)，風(fēng)機(jī)發(fā)出的交流電性能不穩(wěn)定，其頻率和幅值會(huì)實(shí)時(shí)變化，可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生瞬間沖擊電流;若電網(wǎng)電壓降低或抬升，也會(huì)影響同步發(fā)電機(jī)定子側(cè)電流，造成風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，進(jìn)而影響并網(wǎng)。因此，應(yīng)用全功率變流器將電網(wǎng)和風(fēng)力機(jī)組隔離，使網(wǎng)側(cè)逆變器發(fā)出的電流頻率和幅值與電網(wǎng)同頻同相。

1 變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如今常用的變流器結(jié)構(gòu)有兩種：（1）機(jī)側(cè)不控整流器+boost升壓斬波電路+網(wǎng)側(cè)PWM逆變器;（2）雙PWM控制的功率變換器。

對(duì)于（1）而言，因采用不控整流器，故輸出為非線性直流，其具有很大的諧波，部分能量由諧波分散，進(jìn)而使直流電壓低于期望值，必須加入boost升壓電路和斬波電路將電壓抬升至可逆變并網(wǎng)的直流母線電壓并在一定程度上消除諧波，但該變流器結(jié)構(gòu)諧波仍然很大，且不具備四象限運(yùn)行能力。因此選擇具有恒定輸出直流母線電壓并能夠通過(guò)調(diào)節(jié)交直軸電流進(jìn)而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的背靠背PWM變流器[1]進(jìn)行建模。

2 變流器控制策略

2.1 ? ?最大功率跟蹤策略

對(duì)風(fēng)機(jī)而言，一定的槳距角對(duì)應(yīng)一定的風(fēng)能利用系數(shù)曲線，有如下關(guān)系：

式中：Pω為風(fēng)機(jī)輸出機(jī)械功率;ρ為空氣密度;A為槳葉受風(fēng)面積;Vω為風(fēng)速;Cp為風(fēng)能利用系數(shù);λ為葉尖速比;β為槳距角;λi為中間變量;ωω為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速;R為風(fēng)機(jī)葉輪半徑。

由公式可以看出，風(fēng)能利用系數(shù)直接決定著風(fēng)機(jī)輸出的機(jī)械功率，且在恒定功率的情況下，槳距角越大，風(fēng)能利用系數(shù)越低。因此，當(dāng)功率低于額定功率時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出功率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤;而當(dāng)功率高于額定功率時(shí)，可以適當(dāng)增大槳距角使功率穩(wěn)定在額定功率處，在風(fēng)能利用系數(shù)曲線中記式（5），風(fēng)能利用系數(shù)曲線如圖1所示。

即在最佳葉尖速比λopt時(shí)具有最大風(fēng)能利用系數(shù)，因此為使風(fēng)機(jī)工作在最大功率處，采用最佳葉尖速比法，其控制原理如圖2所示。

由圖可知，為了使得λ維持在λopt處，要引入控制原理中的負(fù)反饋，根據(jù)風(fēng)速，實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使其比值與參考葉尖速比相比較，而此處必須要預(yù)先知道風(fēng)速，故引入常用的時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法，構(gòu)建SARIMA（p，d，q）（P，D，Q）的含季節(jié)成分時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型：

2.2 ? ?空間電壓矢量PWM控制技術(shù)

為了使同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，需控制發(fā)電機(jī)定子感應(yīng)磁場(chǎng)矢量以恒定速度旋轉(zhuǎn)，且大小不變，而磁場(chǎng)由電流產(chǎn)生（F=Ni），因此需要控制電流矢量大小不變，且在空間勻速旋轉(zhuǎn)。由此引出SVPWM技術(shù)，其中，六拍逆變器如圖3所示。

由此可知，要控制電壓向量為圓形旋轉(zhuǎn)向量，而上圖的六拍逆變器只能控制其為六個(gè)基本矢量，因此采用SVPWM，其原理為任意一個(gè)矢量均可以由其所在扇區(qū)的兩條矢量合成，相應(yīng)電壓空間矢量六邊形如圖4所示。

因此，可以不斷變換開(kāi)關(guān)，使電壓矢量形成一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)向量，而工作頻率越高，交流電動(dòng)機(jī)的磁通就越接近圓形，其SVPWM控制模塊分為扇區(qū)判斷、時(shí)間計(jì)算、時(shí)間配合和脈沖產(chǎn)生四個(gè)模塊，搭建的MATLAB/Simulink模型如圖5所示。

3 控制策略仿真分析

在MATLAB/Simulink[2]中搭建背靠背PWM變流器的風(fēng)機(jī)模型，設(shè)置初始參數(shù)定子相電阻為0.009 Ω，電樞電感為0.000 75 H，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為1.6，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.032 kg·m2，粘性阻尼為0.000 6 N·m·s，極對(duì)數(shù)為三對(duì)極，由于風(fēng)速實(shí)時(shí)變化，故以階躍風(fēng)速為例進(jìn)行仿真分析，初始風(fēng)速為11 m/s，在1 s時(shí)變?yōu)?8 m/s。

若電網(wǎng)電壓矢量固定于d軸，則d軸為電流有功分量，q軸為電流無(wú)功分量，開(kāi)始約為0.3 s，q軸電流達(dá)到穩(wěn)定，當(dāng)1 s風(fēng)速突變時(shí)，相應(yīng)的電流無(wú)功分量也相應(yīng)改變，而后達(dá)到穩(wěn)定，但d軸有功分量一直都維持在0左右，表明本文實(shí)現(xiàn)了有功和無(wú)功的解耦控制，交軸電流仿真結(jié)果如圖6所示。

同時(shí)，在1 s時(shí)三相交流電流對(duì)風(fēng)速及時(shí)作出反應(yīng)，相應(yīng)調(diào)整三相交流電流大小，表明電機(jī)可以及時(shí)對(duì)風(fēng)速變化作出反應(yīng)，仿真結(jié)果如圖7所示。

在仿真過(guò)程中的直流母線電壓基本恒定，符合背靠背同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流逆變要求，仿真效果良好，如圖8所示。

4 結(jié)語(yǔ)

永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，本文僅從雙PWM結(jié)構(gòu)中的控制策略方面進(jìn)行了相應(yīng)的分析和仿真，現(xiàn)實(shí)并網(wǎng)還有許多問(wèn)題亟待解決。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 章心因.變速永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)交直流并網(wǎng)低電壓穿越技術(shù)研究[D].南京：東南大學(xué)，2016.

[2] 常波.基于Matlab/Simulink的直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

收稿日期：2020-11-11

作者簡(jiǎn)介：董浩文（2000—），男，江蘇揚(yáng)州人，研究方向：電力系統(tǒng)分析。