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1、永磁直驱驱风力发发电电能能变换器器的研究究朱琳 徐殿国国 马马洪飞 罗忠忠玉哈尔滨工工业大学学摘要：直直驱风力力发电系系统由于于其效率率高，结结构简单单及稳定定运行，是是风力发发电技术术的发展展趋势。然然而在运运行过程程中，由由于各种种原因引引起的电电网电压压波动、跌跌落甚至至短路故故障会影影响发电电机的不不间断运运行。本本文主要要研究直直驱风力力发电系系统的电电能变换换器，利利用Maatlaab/SSimuulinnk对110 kkW直驱驱风力发发电系统统进行了了仿真，分分别分析析了电网网电压跌跌落，550%-0.22 s和和30%-0.4 ss时电能能变换器器的动态态响应，在在电网电电压跌
2、落落时电能能变换器器仍能与与电网保保持连接接。仿真真结果验验证了系系统控制制策略的的有效性性。关键词：直驱风风力发电电 永永磁同步步电机 电能能变换器器 电电压跌落落Reseearcch oof CConvvertter forr Peermaanennt MMagnnet Genneraatorr Diirecct DDrivven by Winnd TTurbbineeZhu Linn XXu DDiannguoo MMa HHonggfeii LLuo ZhoongyyuAbsttracct：DDue to higgh eeffiicieencyy, ssimpple strructtu
3、ree annd sstabble opeerattionn, tthe dirrectt-driive wiind powwer sysstemm ussingg thhe ppermmaneent maggnett syynchhronnouss geenerratoor iis tthe devveloopmeent treend of winnd ppoweer ggeneerattionn syysteem. Howweveer, thee geenerratoor mmay be dissconnnecctedd frrom thee grridiin ccaseeof a ddi
4、stturbbancce ssuchh ass a volltagge ddip eveen aa grrid fauult. In thiis ppapeer, we madde aa siimullatiing stuudy on 10kkWdiirecct-ddrivve wwindd poowerr syysteem bbaseed oon tthe PM synnchrronoous genneraatorr byyMattlabb/Siimullinkk, aand anaalyzzed thee reespoonsee off poowerr coonveerteer wwhen
5、n thhe vvolttagee diips aree 500%-00.2ss, 330%-0.44s rresppecttiveely. Thhis conntriibuttionn prreseentss a conntroolleer tthatt caan bbe uusedd too keeep dirrectt-drrivee wiind turrbinnes witth ppermmaneent maggnett geenerratoor cconnnectted to thee grrid durringg vooltaage dipps. Thhe bbehaavioor
6、oof tthe powwer connverrterr duurinng ggridd diips isddemoonsttratted by simmulaatioons andd thhe cconttroll sttrattegyy iss coorreect.Keywwordds：ddireect-driive winnd ppoweer ggeneerattionn ppermmaneent maggnett syynchhronnoussgenneraatorrpowwer connverrterr vvolttagee diip 81 引引言随着全球球经济的的快速发发展，人人类
7、对能能源的需需求明显显增加，而而地球上上可利用用的常规规能源是是有限的的。同时时，随着着人类活活动的加加剧，自自然生态态环境却却在不断断恶化。因因此，目目前世界界各国都都已经把把开发新新能源和和利用可可再生能能源作为为未来能能源发展展的方向向。风力力发电是是新能源源中技术术最成熟熟、最具具规模开开发条件件和商业业化发展展前景的的发电方方式之一一，具有有占地少少、无污污染、建建设周期期短、装装机规模模灵活等等优点，因因此受到到了世界界各国的的重视1。采采用无齿齿轮箱的的直驱永永磁同步步发电机机虽然提提高了电电机的设设计成本本，但却却有效的的提高了了系统的的效率以以及运行行可靠性性，并且且降低了了
8、噪音和和机械损损失从而而降低了了风力发发电机组组的运行行维护成成本，因因此受到到了越来来越多的的关注2。然而风力力发电系系统在运运行过程程中，由由于各种种原因引引起的电电网电压压波动、跌跌落甚至至短路故故障会影影响发电电机的不不间断运运行。电电网发生生突然跌跌落时，发发电机将将产生较较高的瞬瞬时电磁磁转矩和和电磁功功率，可可能造成成发电机机系统的的机械损损坏或热热损坏，所所以本文文主要研研究直驱驱风力发发电系统统的电能能变换器器在三相相电网电电压突然然跌落时时的系统统持续运运行控制制。对110 kkW直驱驱风电系系统进行行了建模模和仿真真，分析析了系统统在电网网电压跌跌落500%-00.2 s
9、和330%-0.44 s时时的动态态响应。2 电能能变换器器数学模模型直驱风力力发电系系统总结结构图如如图1所所示33：图1 直直驱风力力发电系系统总体体结构图图直驱风力力发电系系统由风风轮机与与低速永永磁同步步发电机机直接耦耦合构成成，其输输出电压压幅值、频频率、功功率都将将随风能能的变化化而变化化3。电能能变换器器是由两两个背靠靠背连接接的电压压型PWWM变换换器构成成的交-直-交交(ACC-DCC-ACC)变换换器。PPWM整整流器(AC-DC)是一个个三相电电压型PPWM高高功率因因数整流流器。因因为发电电机输出出电压是是根据风风速变化化的，PPWM整整流器可可为网侧侧变换器器提供恒恒
10、定的直直流母线线电压，并并使得交交流输入入电流跟跟随输入入电压，波波形近似似正弦波波；网侧侧变换器器实际上上是一个个三相电电压型逆逆变器(DC-AC)，直流流母线电电压经逆逆变、滤滤波后并并入电网网。PWM整整流器的的主电路路如图22所示。图2 PWMM整流器器的主电电路控制系统统采用双双闭环级级联式控控制结构构：电压压外环、电电流内环环。电压压外环的的主要作作用是控控制直流流母线电电压；电电流内环环根据电电压外环环给出的的电流指指令对交交流侧输输入电流流进行控控制。由由变换器器传递的的瞬时有有功和无无功功率率为：定子电压压定在dd轴方向向，q轴电压压为0，只只要供电电电压恒恒定，dd轴电压压
11、恒定，有有功和无无功功率率分别和和d，q轴电流流成比例例。为了了实现单单位功率率因数运运行，无无功电流流分量的的参考值值设为零零。变换器交交流侧电电流的ddq分量量存在相相互耦合合，给控控制器设设计造成成一定困困难。为为此，可可采用前前馈解耦耦控制策策略，当当电流调调节器采采用PII调节器器，则PPWM整整流器输输入端电电压可以以计算为为4由于电流流d-qq分量具具有对称称性，控控制器可可以使用用相同的的参数，因因此控制制器设计计可以只只考虑其其中一个个。不难难看出：PI调调节器的的输出补补偿了交交流侧电电感上的的电压降降；控制制器采用用电流dd-q分分量的解解耦项抵抵消了实实际系统统中两个个
12、分量的的交叉耦耦合项；电机输输出电压压的前馈馈分量抵抵消了实实际系统统中电机机输出电电压的影影响。系系统电流流内环控控制结构构框图如如图3所所示。图3 PWMM整流器器控制结结构框图图3 仿仿真结果果风力发电电机并网网，要求求输出电电流为三三相正弦弦波并且且和电网网电压频频率、相相位相同同5。当电电网电压压跌落时时，变流流器电流流要增加加以便向向电网注注入不变变的功率率。因此此其动态态响应必必须加以以正确分分析才能能采用适适当的控控制器来来控制系系统中的的各个量量，从而而达到控控制目的的。本文文采用MMatllab/Simmuliink，建建立了110kWW直驱风风力发电电系统的的仿真模模型，
13、分分析系统统在电网网电压跌跌落500%-00.2 s和330%-0.44 s时时的动态态响应。具体的仿真参数如下：假定永磁磁电机输输出电压压为三相相3800 V，功功率为110 kkW。三三相电网网电压为为3800V/2220VV。LCCL滤波波器66：L1=3 mH，L2=1mH，Cf=6.8 F，Rd=6（L2为网侧电感）；开关频率：10 kHz；直流侧电容：4 000 F。直流母线电压设定值为700 V。3.1 电网网电压跌跌落500%-00.2 s时0.1 s时电电网电压压跌落550%，00.3ss时电压压回升至至2200 V（单单相）。仿仿真波形形如下：图4 PPWM整整流器AA相电
14、压压和A相相电流图5 直直流母线线电压图6 逆逆变器输输出C相相电压和和C相电电流由图4图6可可以看出出，电机机输出功功率基本本保持在在10kkW，整整流器输输入电流流与输入入电压同同相位，实实现单位位功率因因数整流流。直流流母线电电压波动动范围在在10%以内，基基本稳定定在7000 VV。电网网电压跌跌落时，逆逆变器输输出电流流增大以以便向电电网注入入不变的的功率。3.2 电网网电压跌跌落300%-00.4 s时0.1 s时电电网电压压跌落330%，00.5 s时电电压回升升至2220 VV（单相相）。仿仿真波形形如下：图7 直直流母线线电压图8 逆逆变器输输出C相相电压和和C相电电流由图7
15、图8可可见，电电网电压压跌落330%-0.44s时对对电能变变换器的的影响比比较小，直直流母线线电压波波动范围围在5%以以内。4 结结语风能作为为可再生生能源，受受到了世世界各国国的关注注。风力力发电成成为近年年来发展展最快的的能源，在在电网中中的比重重越来越越大。直直驱永磁磁风力发发电技术术被认为为是最有有前景的的风电技技术方案案之一。本文通过过建立PPWM整整流器在在同步旋旋转坐标标系里的的数学模模型，采采用前馈馈解耦的的控制策策略和双双闭环级级联式控控制结构构，利用用Mattlabb/Siimullinkk对100kW直直驱风力力发电系系统进行行建模与与仿真，分析系统在电网电压跌落50%
16、-0.2 s和30%-0.4 s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。参考文献献1 易易跃春.风力发发电现状状、发展展前景及及市场分分析.国国际电力力, 220044, 88(4): 118-222 HHenkkPollindder,Fraank F. A.vvan derr Piijl. Coompaarisson of Dirrectt-drivve aand Geaaredd GeenerratoorCoonceeptss foor
17、 WWindd Tuurbiiness. IEEEE, 20006, 7225-7322 3 KKi-CChann Kiim, Seuung-Binn Liim, Ki-Bonng JJangg. Annalyysiss onn thhe DDireect-drivven Higgh PPoweer PPermmaneent Maggnett Geenerratoor ffor Winnd TTurbbinee.IEEEE, 200054 WWangg Feengxxianng, Houu Qiingmmingg. Sttudyy onn Coontrrol Systtem of Loww S
18、ppeedd PMM Geenerratoor DDireect Driivenn byyWinnd TTurbbinee. IIEEEE, 220055, 110099-101125 JJohaan MMorrren, Jaan TT.G. Piieriik. Volltagge DDipRidee-thhrouugh Conttroll off Direect-driive Windd Turbbinees. Eleectrricaal PPoweer PProccesssingg, IIEEEE, 220011, 9934-93886 MM Liiserrre, F Blaaabjjergg, SS Haanseen. Dessignn annd CConttroll off ann LCCL-ffiltter bassed Thrree-phaase Acttivee Reectiifieer. IEEEE TTranns. on Inddusttry Apppliccatiionss, 220055, 117(11): 12881-12991