1.5MW永磁直驱风电机组并网变流器的研制

1.5MW永磁直驱风电机组并网变流器的研制*

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姚为正，宋运昌，刘刚，赵瑞杰

（1．上海理工大学计算机与电气工程学院，上海，200093 2．许继集团，许昌，461000）

摘要：介绍了永磁直驱风电机组并网变流器系统结构和工作原理，并对并网变流器发电侧和电网侧的控制策略和控制电路进行了研究，在此基础上，研制了一台1.5MW/690V永磁直驱风电机组并网变流器样机，进行了相应的实验研究。实验结果表明，本文采用的控制策略和控制电路正确有效，并网变流器能实现能量的双向传递，具有优良的并网特性。 关键词： 风电机组；变流器 ；矢量控制；并网

Development of Grid-converter for 1.5MW Permanent Magnet Direct Drive Wind Turbine

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YAO Wei-zheng ， SONG Yunchang ，LIU Gang ，ZHAO Rui-jie

(1.School of Computer and Electrical Engineering，University of Shanghai for Since and Technology，

Shanghai 200093，China；

2．Xuji Group，Xuchang 461000，China）

Abstract：It is introduced the system structure and working principle of grid-converter for permanent magnet direct drive wind turbine，control strategy and circuits of generator and grid sides are studied．On the basis of this，a prototype of grid-converter for 1.5MW/690V permanent magnet direct drive wind turbine is developed and corresponding experimental is done. Experimental results show that the control strategy and circuits is correctly and effectively，with appropriate control，the power can flow from the supply to generator or the reverse flow, the converter has an excellent network characteristics． Key words：Wind Turbine；Converter；Vector control；Grid-connected

1 概述

风能是取之尽的清洁能源，风力发电对于缓解当前能源紧张的局势，为传统的发电方式寻找

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替代能源以及可持续发展都是有益的尝试。当风力发电机组与电网并联运行时，并网恒频的方法有两种：一是恒速恒频,也即在风力发电过程中，保持发电机转速不变，从而得到恒频的电能；二是变速恒频, 也即在风力发电过程中，发电机的转速可随风速变化，在这种方式中发电机和电

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网之间必须增加并网变流器来得到恒频的电能。变速恒频系统能够最大限度的捕获风能，因此大功率风力发电机组均采用变速恒频控制方式。恒速系统是传统的风力发电并网方式，通常采用异

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步电机，这种并网方式在丹麦等国十分流行，其控制简单，但不能追踪最大风能，风速变化时对机电设备的冲击很大，保养和维护费用高，变速恒频系统能够获取风力机的最大输出功率，从而

最大限度的捕获风能，同时由于并网变流器的使用大大提高电能的质量，因此，大功率风力发电

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系统均采用变速恒频控制方案。

目前，风力发电系统实现变速恒频的方式有两种：一种为双馈发电机+变频器并网方式，另一种为永磁直驱发电机+变频器并网方式。前者虽然技术成熟，但存在发电机制造困难、控制复杂、维护不方便等缺点，后者具有控制简单、风能利用率高、利于电网安全稳定运行等优点，因此，它代表未来风电机组的发展方向。MW级并网变流器在国内的研究刚刚起步，本文在对永磁直驱风电机组并网变流器技术研究的基础，研制一台1.5MW/690V永磁直驱风电机组并网变流器样机，并进行相应的实验研究，从而为大功率并网变流器的产业化奠定基础。

*基金资助项目：上海市教委科研创新项目（08YZ101） 作者简介：姚为正（1967-），男，博士后，副教授，E-mail：weizhengy@xjgc.com

2 系统结构 本文研制的1.5MW永磁直驱并网变流器用于将发电机发出的能量传送到交流电网，系统结构框图如图1所示。 PWM1电电电电1id*PIvd*移相解耦控制SVPWMPWM1PWM?id?iqvq*PWM2PWMPMSGPIPWM3T1T2R1L1L2L3C1PIL7~L9PWM2电电电电2T电电电电vwind MPPTPWM4L4L5L6R2~R4C2图2发电侧的控制框图 C3~C5Fig.2 Control block diagram of generator side

图1 1.5MW风电变流器系统结构框图

Fig.1 Block diagram of 1.5MW wind power converter

上述框图和控制策略都是基于两相垂直旋转坐标系，实现三相静止坐标系a-b-c到两相垂直旋转坐标系d-q的正交变换矩阵为公式如下所示，

主电路采用二重化的双PWM变流器结构，共

有4个750KW的变流器模块组成，PWM1和PWM2连接电机绕组的输出，PWM3和PWM4通过LCL滤波和变压器T并入电网。正常工作时直流侧电压为1100V，输出交流电压为690V。通过控制两个三相全桥PWM逆变电路的载波信号相差一定的相位，从而使两个三相全桥PWM逆变电路工作在双重化方式。网侧变流器单元共用直流母线，通过电抗器连接。图中C1，C2为直流滤波，T1、T2和R1组成直流能量泄放电路，主要用于在直流电压过高时泄放能量保护模块安全。采用双重化方式可以提高等效开关频率、减少开关损耗、减少滤波电抗器容量，同时不用考虑器件并联时的均流问题，易于模块化设计，扩容简单，具有灵活的控制方式。

?xa?x?d?2?cos?cos(??2?/3) cos(??2?/3)??? ?x?????xb?（1）

?q?3??sin??sin(??2?/3) ?sin(??2?/3) ??x??c?xd,xq其中xa,xb,xc为a-b-c坐标下的电压电流，

为d-q坐标下的电压电流分量。发电侧的控制采

用功率和电流采用双闭环控制，外环为功率环，能够追踪最大风能，内环为电流环，控制励磁和转矩。外环的输出作为电流内环的给定，电流通过解耦控制得到d、q轴的参考电压，通过移相PWM产生控制算法驱动电机侧的两个变流器模块。

合理的选取d-q轴能够实现解耦控制，在这里取d轴为永磁体转子极中心线，q轴沿转子旋转方向超前d轴90°电角度，永磁励磁磁链与d轴重合。d、q轴坐标系中状态变量的耦合关系，给控制器的设计带来了很大的问题。因此需要通过去耦控制实现精确的线性化控制。由于永磁电机不需要提供励磁电流，定子电流只产生转矩，因此d轴电流设置为0。从而在最小电流的情况下得到最大的电磁转矩。

本文采用移相空间矢量技术，它基于传统的三相空间矢量控制技术并结合电机定子绕组的空间结构而实现，因此实现比较简单，而且效果接近解耦空间矢量控制技术。

3发电侧变流器的控制

发电侧的变流器采用矢量控制策略，其控制的基本思路是：模拟直流电机的控制方法，根据磁势和功率不变的原则通过正交变换，将三相静止坐标a-b-c变换成二相垂直旋转坐标d-q。在d-q坐标系下将定子电流矢量分解成按转子磁场定向的2个直流分量id,iq，分别为励磁电流分量和转矩电流分量。对两个直流分量分别加以控制从而使磁链和转矩得到解耦控制，调速效果可以和直流电机相媲美。发电侧控制框图如图2。

4电网侧变流器的控制

对电网侧的控制目标有两个：一是保持恒定的直流电压；二是单位功率因数并网。为实现上

述目标， 采用如图4所示的电压和电流双闭环的控制策略。在两相垂直旋转坐标系d-q，中按照基尔霍夫定律，可以得到PWM变换器在d-q坐标系下有以下关系。

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