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1永磁直驱风力发电电能变换器的研究朱琳徐殿国马洪飞罗忠玉哈尔滨工业大学摘要：直驱风力发电系统由于其效率高，结构简单及稳定运行，是风力发电技术的发展趋势。然而在运行过程中，由于各种原因引起的电网电压波动、跌落甚至短路故障会影响发电机的不间断运行。本文主要研究直驱风力发电系统的电能变换器，利用Matlab/Simulink对10kW直驱风力发电系统进行了仿真，分别分析了电网电压跌落，50%-0.2s和30%-0.4s时电能变换器的动态响应，在电网电压跌落时电能变换器仍能与电网保持连接。仿真结果验证了系统控制策略的有效性。关键词：直驱风力发电永磁同步电机电能变换器电压跌落ResearchofConverterforPermanentMagnetGeneratorDirectDrivenbyWindTurbineZhuLinXuDianguoMaHongfeiLuoZhongyuAbstract：Duetohighefficiency,simplestructureandstableoperation,thedirect-drivewindpowersystemusingthepermanentmagnetsynchronousgeneratoristhedevelopmenttrendofwindpowergenerationsystem.However,thegeneratormaybedisconnectedfromthegridincaseofadisturbancesuchasavoltagedipevenagridfault.Inthispaper,wemadeasimulatingstudyon10kWdirect-drivewindpowersystembasedonthePMsynchronousgeneratorbyMatlab/Simulink,andanalyzedtheresponseofpowerconverterwhenthevoltagedipsare50%-0.2s,30%-0.4srespectively.Thiscontributionpresentsacontrollerthatcanbeusedtokeepdirect-drivewindturbineswithpermanentmagnetgeneratorconnectedtothegridduringvoltagedips.Thebehaviorofthepowerconverterduringgriddipsisdemonstratedbysimulationsandthecontrolstrategyiscorrect.Keywords：direct-drivewindpowergenerationpermanentmagnetsynchronousgeneratorpowerconvertervoltagedip1引言随着全球经济的快速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的常规能源是有限的。同时，随着人类活动的加剧，自然生态环境却在不断恶化。因此，目前世界各国都已经把开发新能源和利用可再生能源作为未来能源发展的方向。风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，具有占地少、无污染、建设周期短、装机规模灵活等优点，因此受到了世界各国的重视[1]。采用无齿轮箱的直驱永磁同步发电机虽然提高了电机的设计成本，但却有效的提高了系统的效率以及运行可靠性，并且降低了噪音和机械损失从而降低了风力发电机组的运行维护成本，因此受到了2越来越多的关注[2]。然而风力发电系统在运行过程中，由于各种原因引起的电网电压波动、跌落甚至短路故障会影响发电机的不间断运行。电网发生突然跌落时，发电机将产生较高的瞬时电磁转矩和电磁功率，可能造成发电机系统的机械损坏或热损坏，所以本文主要研究直驱风力发电系统的电能变换器在三相电网电压突然跌落时的系统持续运行控制。对10kW直驱风电系统进行了建模和仿真，分析了系统在电网电压跌落50%-0.2s和30%-0.4s时的动态响应。2电能变换器数学模型直驱风力发电系统总结构图如图1所示[3]：图1直驱风力发电系统总体结构图直驱风力发电系统由风轮机与低速永磁同步发电机直接耦合构成，其输出电压幅值、频率、功率都将随风能的变化而变化[3]。电能变换器是由两个背靠背连接的电压型PWM变换器构成的交-直-交(AC-DC-AC)变换器。PWM整流器(AC-DC)是一个三相电压型PWM高功率因数整流器。因为发电机输出电压是根据风速变化的，PWM整流器可为网侧变换器提供恒定的直流母线电压，并使得交流输入电流跟随输入电压，波形近似正弦波；网侧变换器实际上是一个三相电压型逆变器(DC-AC)，直流母线电压经逆变、滤波后并入电网。PWM整流器的主电路如图2所示。图2PWM整流器的主电路控制系统采用双闭环级联式控制结构：电压外环、电流内环。电压外环的主要作用是控制直流母线电压；电流内环根据电压外环给出的电流指令对交流侧输入电流进行控制。由变换器传递的瞬时有功和无功功率为：QddqqqddqPViViViVi定子电压定在d轴方向，q轴电压为0，只要供电电压恒定，d轴电压恒定，有功和无功功率分别和d，q轴电流成比例。为了实现单位功率因3数运行，无功电流分量的参考值设为零。变换器交流侧电流的dq分量存在相互耦合，给控制器设计造成一定困难。为此，可采用前馈解耦控制策略，当电流调节器采用PI调节器，则PWM整流器输入端电压可以计算为[4]dqqqddddiLiisKKueiLiisKKu))(())((refIPqrefIP由于电流d-q分量具有对称性，控制器可以使用相同的参数，因此控制器设计可以只考虑其中一个。不难看出：PI调节器的输出补偿了交流侧电感上的电压降；控制器采用电流d-q分量的解耦项抵消了实际系统中两个分量的交叉耦合项；电机输出电压的前馈分量抵消了实际系统中电机输出电压的影响。系统电流内环控制结构框图如图3所示。图3PWM整流器控制结构框图3仿真结果风力发电机并网，要求输出电流为三相正弦波并且和电网电压频率、相位相同[5]。当电网电压跌落时，变流器电流要增加以便向电网注入不变的功率。因此其动态响应必须加以正确分析才能采用适当的控制器来控制系统中的各个量，从而达到控制目的。本文采用Matlab/Simulink，建立了10kW直驱风力发电系统的仿真模型，分析系统在电网电压跌落50%-0.2s和30%-0.4s时的动态响应。具体的仿真参数如下：假定永磁电机输出电压为三相380V，功率为10kW。三相电网电压为380V/220V。LCL滤波器[6]：L1=3mH，L2=1mH，Cf=6.8μF，Rd=6Ω（L2为网侧电感）；开关频率：10kHz；直流侧电容：4000μF。直流母线电压设定值为700V。3.1电网电压跌落50%-0.2s时0.1s时电网电压跌落50%，0.3s时电压回升至220V（单相）。仿真波形如下：图4PWM整流器A相电压和A相电流4图5直流母线电压图6逆变器输出C相电压和C相电流由图4~图6可以看出，电机输出功率基本保持在10kW，整流器输入电流与输入电压同相位，实现单位功率因数整流。直流母线电压波动范围在±10%以内，基本稳定在700V。电网电压跌落时，逆变器输出电流增大以便向电网注入不变的功率。3.2电网电压跌落30%-0.4s时0.1s时电网电压跌落30%，0.5s时电压回升至220V（单相）。仿真波形如下：图7直流母线电压图8逆变器输出C相电压和C相电流由图7~图8可见，电网电压跌落30%-0.4s时对电能变换器的影响比较小，直流母线电压波动范围在±5%以内。4结语风能作为可再生能源，受到了世界各国的关注。风力发电成为近年来发展最快的能源，在电网中的比重越来越大。直驱永磁风力发电技术被认为是最有前景的风电技术方案之一。本文通过建立PWM整流器在同步旋转坐标系里的数学模型，采用前馈解耦的控制策略和双闭环级联式控制结构，利用Matlab/Simulink对10kW直驱风力发电系统进行建模与仿真，分析系统在电网电压跌落50%-0.2s和30%-0.4s时的动态响应。在电网电压跌落时电能变换器仍能与电网保持连接且注入不变的功率。网侧滤波器采用LCL滤波器，LCL型滤波器可以在较小总电感的条件下实现同样的滤波效果，体积小，造价低，动态性能大大改善。参考文献1易跃春.风力发电现状、发展前景及市场分析.国际电力,2004,8(4):18-222HenkPolinder,FrankF.A.vanderPijl.ComparisonofDirect-driveandGearedGeneratorConceptsforWindTurbines.IEEE,2006,725-7323Ki-ChanKim,Seung-BinLim,Ki-BongJang.AnalysisontheDirect-drivenHighPowerPermanentMagnetGeneratorforWindTurbine.IEEE,200554WangFengxiang,HouQingming.StudyonControlSystemofLowSpeedPMGeneratorDirectDrivenbyWindTurbine.IEEE,2005,1009-10125JohanMorren,JanT.G.Pierik.VoltageDipRide-throughControlofDirect-driveWindTurbines.ElectricalPowerProcessing,IEEE,2001,934-9386MLiserre,FBlaabjerg,SHansen.DesignandControlofanLCL-filterbasedThree-phaseActiveRectifier.IEEETrans.onIndustryApplications,2005,17(1):1281-12916