1.5MW永磁直驱风电机组并网变流器的研制*
1122
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
1122
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
[1-4]
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
[5]
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
[6]
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
[7-8]
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。
?did??R??1???dt??L??id??vd??L????????????上图以一个PWM单元为例来说明控制策略。
电网侧的控制可采用SPWM或SVPWM，由于采用SVPWM可以提高直流电压的利用率，所以电网侧采用移相SVPWM控制策略。电压环为外环，维持直流母线电压的稳定，其输出作为有功电流指
?0?e令信号；电流为内环，按电压外环输出的电流指?d? ??? （2） 令进行相应的电流控制，如实现单位功率因数，
?diq???dt??????R??iq??v??L?q?????01?L??eq??其中Sd,Sq为d-q坐标系下的开关函数；L,R分别为交流侧电感、等效电阻；id,iq为电网电流的d-q轴分量；ed,eq为电网电压的d-q轴分量；从上述模型中，由于d-q轴变量相互耦合，因而给控制器的设计造成一定困难。为此可采用前馈解耦控制策略。当电流调节器采用PI调节器时，则有下式。
???v??(ki(?is?1)*d?s)(id?id)??Liq?ed?i?k( （3） ??vq??(i?is?1)?)(i*q?iq)??Lid?eqisvd,vq为交流侧电压矢量在d-q轴上的分量。
由此我们可以得解耦的电网侧变流器的控制结构框图如下所示。 eaLiaebLecLi*d?Liq?edv*iPIdd??v?dq/???Lid?evSVPWMi*?qv*坐标变换? 产生qqiPI?q?vdc?PIv*dc 图3 电网侧控制框图
Fig.3 Control block diagram of grid side
二重化电路的控制电路采用了各个变流器指
令电流独立的控制方式，各变流器的输出电流与指令电流作差，经PI控制器生成调制波，通过与三角波载波信号比较，以形成各自的PWM控制信号。需要说明的是两个单元载波信号错开180°，
无功补偿等。在进行并网变流器双环控制系统设计时，由内到外先设计电流内环再整定直流电压外环。由于电流内环存在，只要将电流指令限幅就可实现过流保护。为实现单位功率因数控制，一般把给定无功电流指令为0。
本系统采用直接电流控制，引入交流侧电流的反馈，能实现快速的相应。同样电流控制在d-q坐标系下完成。
5 控制电路
1.5MW并网变流器控制系统框图如图4，主要分为三部分：变流器控制、系统逻辑控制和远程监控。变流器的控制主要完成PWM脉冲生成、控 制算法实现以及系统保护等，采用 DSP芯片（TMS320C2812）作为处理器。逻辑控制采用可编程序控制器PLC为控制核心，主要完成故障处理、
电气与机械设备逻辑控制以及系统保护等。远程
监控是最高层级的控制，主要是监视和控制整个
风力发电装置的运行情况。 PWM1模块PWM2模块电流检测电流检测电流检测电流检测PWM1PWM2A/DA/DTMS320F2812PLC远程监控
图4系统控制框图
Fig.4 Block diagram of control system
驱动电路的设计也是整个系统的核心，本系统中的开关器件全部选用IGBT，因此IGBT的驱动电路和保护电路对系统的安全、稳定、可靠运行具有重要意义。驱动电路的选取和设计是十分关键的，本文采用瑞士Concept公司生产的IGBT智能化SCALE驱动板2SD315AI。可驱动两单元1200A /1700V的IGBT。为使逆变器正常运行，必要的保
护电路是必须的，除了在驱动模块内部集成了短路和过流保护、欠压监测等功能外，在本系统中，还设计了过电压、过电流、IGBT过热、电网断电等比较完善的保护。
6实验结果
采用前面介绍的主电路结构和控制策略，本文研制了一台1.5MW/690V永磁直驱风电机组并网变流器，并进行了实验研究。为了验证在大功率下的运行特性，本文采用环流试验，试验电路原理如图5所示。
电电电电电电电电电电电电电电电QS
图5功率环流电路
Fig.5 Block diagram of circulation experiment
在本实验中一个变流器工作在整流状态，采用双闭环控制，稳定直流电压；另一个变流器工作在逆变状态，采用电流环控制，确定功率环流的大小。在功率环流试验时采用不同的调制方式时，流过两个变流器的电流波形是不同的。当采用SPWM调制方式时，流过两个变流器时的电流中有基波和开关次纹波。而当采用SVPWM调制方式时，每个变流器三相电流中将存在三次谐波电流。因此，在功率环流时采用SPWM调制方式。
实验时直流电压1100V，交流电压为690V。图6给出了电流为900A时逆变侧的电流与电压波形，其中
ua为电网A相电压经过电压互感器后副
边的波形，它与A相电压是同相的。图7给出了
稳态时直流母线电压的波形。由图6可见，A相电网电压与逆变侧A相电流反相，证明了系统运行在单位功率因数；通过谐波分析，电流THD为3.9%。
IaVa)电)/电A/0V00510((/aaIVt/(10ms/电)
图6 功率环流电流电压波形图
Fig.6 Waveforms of currents and voltages
)电/V006(cdV0t/(10ms/电)
图7 直流母线电压波形
Fig.7 Waveforms of DC link voltage
7结论
本文采用二重化的双PWM变流器结构，研制
了一台1.5MW/690V永磁直驱风电机组并网变流器，并进行了相应实验研究。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。本文的研究为永磁直驱风电机组并网变流器产业化奠定了基础。
参考文献：
[1] 云天吉，翁莎莎．风力发电技术的发展现状[J]．农
村电气化，2007，28（15）：47-49.
YUN Tian-ji，WENG Sha-sha. Current situation of
development of
wind
power
generation
technology[J]. Rural Electrification，2007，28
（15）：47-49.
[2] 严陆光，倪受元，李安定．太阳能与风力发电的现状
与展望 [J]．电网技术，1995，5(19)：1-9. YAN Lu-guang，NI Shou-yuan，LI An-ding. Status
and perspective of solar and wind power
generation [J].Power System Technology，1995，5(19)：1-9.
[3] 漆良波，刘志刚，沈茂盛．新型风力发电能量变换联
网系统的研究 [J]．电气技术，2006(1)：48-51. QI Liang-bo，LIU Zhi-gang，SHEN Maosheng .Study
on grid-connected wind energy conversion system [J]. 2006，1：48-51.
[4] 邵桂萍，姚红菊，赵斌．兆瓦级变速恒频风力发电机
组控制系统的研究 [J]．仪器仪表学报，2006，6(27)：461-464.
SHAO Gui-ping，YAO Hong-ju，ZhAO Bin. Control system research of MW variable speed constant frequency
wind
tubine
[J]. ，
Chinese Journal of Scientific Instrument2006，6(27)：461-464.
[5] 张强，张崇魏，张兴，谢震．风力发电用大功率并网
逆变器研究[J]．电机工程学报，2007，6(27)：54-59. ZHANG Qiang，ZHANG Chong-wei，ZHANG Xing，XIE Zhen.
Study on grid-connected inverter used in high-power 54-59.
[6] 叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M] . 北京:机械
工业出版社,2002.
[7] 童路，田铭兴．变速恒频风力发电系统的并网控制分
析[J]．江苏电机工程，2006，11(6)：33-35. TONG Lu， TIAN Ming-xing. Analysis on the
cutting-in control on VSCF wind power generation system [J]. Jiangsu Electrical Engineering， 2006，11(6)：33-35.
wind
generation
system[J].Proceedings of CSEE, 2007，6(27)：
作者简介： 姚为正
1967-，男，副教授，博士后，享受国家政府津贴专家，主要从事高压直流输电换流阀技术、交流柔性输电技术（FACTS） 、 风力发电并网变流技术、 电能质量防治技术的研究 E-mail：weizhengy@xjgc.com 宋运昌 1982-，男
主要研究方向为风力发电控制技术