基于雙PWM控制永磁直驅風電變流器的研究

　　網側變流器用igbt作為開關器件，igbt為雙向開關管，所以網側變流器可做四象限變流器。當交流側輸入功率大于直流負載消耗的功率時，多余的功率會使直流母線電壓上升，反之則直流母線電壓下降。也就是說，直流母線電壓與變流器吸收的有功功率有關，因此調節d軸電流給定值i*d即可調節直流母線電壓。直流母線電壓會隨著負載的增大而降低，此時增大i*d使網側變流器工作在整流狀態，從電網吸收更多的能量為直流母線電容充電，提高直流母線電壓，反之，則減小i*d是網側變流器工作在逆變狀態，直流母線電容向電網放電，降低直流母線電壓。在網側變流器四象限運行時，控制q軸電流給定值i*d可以控制網側變流器交流側輸出的功率因數，這就可以靈活控制網側變流器吸收的無功功率，作為永磁直驅風力發電系統網側變流器，一般都需要網側變流器工作在單位功率因數狀態下，這時只需把q軸電流給定值i*d設為0。

　　整個控制策略使用雙閉環控制結構，外環為電壓環，內環為電流環。電壓環給定值i*dc與直流母線電壓udc進行比較，經過pi調節器調節，給出d軸電流給定量i*d。q軸電流給定量i*d由需要的功率因數決定，一般都需要單位功率因數輸出，則i*d給定為0。i*d、i*q與實際電流的dq軸分量進行比較，誤差經pi調節器調節后輸出ud、uq，再與各自的解耦補償項δud、δuq和電網電壓擾動前饋補償項ed、eq運算后得到網側變流器參考電壓給定值u*d、u*q，再經過坐標變換得到兩相靜止坐標αβ軸系下的電壓分量u*α、u*β，最后送入svpwm發生器給出網側變流器各開關器件的驅動信號。

　　4 機側變流器控制策略

　　永磁直驅風力發電機有多種控制方式，本文采用有功功率和無功功率解耦控制的方式，可以靈活控制發電機發出的有功功率和無功功率。在dq軸系下，通常把代表無功量的d軸給定值設為0，使發電機全部輸出有功功率，并可進一步通過q軸給定值增加算法，比如最大風能跟蹤、功率給定控制等[6]。實際中的永磁直驅風力發電系統的風力機和發電機共軸，由于安全和技術的考慮風力機通常設計的轉速較慢，這就要求永磁同步發電機也得采用較慢的轉速，所以永磁同步風力發電機被設計成多對極，這就帶來另一個問題，級數過多使永磁同步風力發電機的軸徑增大，難于安裝光電碼盤，所以準確得到永磁同步發電機機轉子位置估計成為控制策略中的難點，本文采用了滑模算法對轉子位置進行估計，得到了良好的控制效果[6]。整個控制策略如圖3所示。

　　永磁直驅風力發電系統機側控制策略需要采集發電機兩相電流的模擬量，把電機作為一個閉合節點看待，根據基爾霍夫電流定律，電機輸出交流電流ia+ib+ic=0從而可以對兩相電流進行重構，若已知電流ia和ib則可得到電流ic=-(ia+ib)。對三相電流進行三相坐標系到兩相靜止坐標系的clark變換，再進行兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的park變換，分解得到兩相旋轉dq軸系下的電流分量，關于坐標變換理論在很多文獻都有詳細描述，這里不再贅述[2][5]。變換后的dq軸系電流分量通過pi調節器得到需要給定的ud和uq分量，再經過park反變換得到兩相靜止坐標系下需要給定的uα和uβ分量，最后送入svpwm發生器，得到機側變流器三相橋6個開關器件的開關信號。在park變換和park反變換的過程中需要使用電機轉子位置的電角度，本系統通過滑模觀測法得到轉子位置的電角度。

　　5 試驗及波形

　　為了對本文提出的永磁直驅風力發電系統的控制策略進行試驗驗證，本文設計并構建了一套完整的10kw永磁直驅風力發電系統試驗平臺，其原理如圖4所示。為了模擬實際風力發電機由于風力大小引起的速度變化，試驗平臺采用了變頻器拖動15kw異步發電機通過齒輪箱降速帶動10kw永磁發電機發電，如圖5所示為平臺外觀。整個系統采用多cpu的主從式數字分布控制系統，主要設備包括變頻器、三相異步發電機、齒輪箱、永磁同步電機、用于觀測的轉矩轉速傳感器、背靠背式pwm變流器、網側lcl濾波器、變壓器、電壓電流傳感器等;控制系統有雙dsp結構的永磁直驅控制電路、對電壓電流采樣進行調理的調理電路、驅動igbt的驅動電路以及調試pc機與dsp控制電路的通信、人機接口等。

　　機側變流器和網側變流器分別使用dsp控制電路對其進行控制，如圖4所示，為敘述容易機側控制電路命名為dsp1，網側控制電路命名為dsp2，兩套dsp控制電路均使用ti公司生產的tms320lf2812芯片負責控制算法，用c語言編程，dsp輸出pwm控制信號控制igbt橋臂開通或關斷。試驗系統采樣使用lem公司的電壓電流傳感器。單獨調試網側變流器時，由于直流母線電容的存在，上電時不能使du/dt過大，造成電容損壞，所以試驗平臺增加了預充電電路，也可通過調壓器緩慢升高直流母線電壓達到同樣的效果，直流母線放電使用了制動電路。

　　試驗中首先對直流母線預充電以免造成沖擊，然后啟動網側控制程序，建立直流母線，再啟動機側控制程序，之后斷開直流負載，完成機側和網側變流器能量交換，試驗波形如圖6所示。圖6中直流母線電壓穩定在450v，達到最低母線電壓要求，機側電壓和母線電壓檢測通過高壓差分探頭，連接到永磁電機三相輸出端和直流母線兩端。通過變頻器提高拖動三相異步電機轉速從而提高永磁同步發電機的轉速，隨著轉速提高逐漸加大發電輸出功率。當電機達到額定轉速時，電機側pwm電壓波形及輸出電流波形如圖6(a)。圖6(b)示出了發電機輸出滿功率時機側和網側電流波形，這里q軸電流給定為0，進行單位功率因數發電。電流探頭選擇100mv/a的檔位，從圖6中可以看出電機側及電網側變流器電流控制良好。

　　6 結束語

　　本文對永磁直驅風力發電系統機側變流器和網側變流器的控制策略進行了分析和研究。建立了機側變流器和網側變流器的兩相旋轉坐標軸系下的數學模型，在此數學模型的基礎上對機側變流器和網側變流器解耦控制進行了研究，并給出了電網電壓定向的矢量控制策略。機側變流器對發電機輸出電流進行控制，使發電機輸出電流為正弦，保證了發電機平滑運轉。網側變流器對母線電壓進行控制，使母線電壓保持恒定，對交流側輸出電流也進行解耦控制，可靈活控制有功功率和無功功率，保證網側變流器在單位下運行。