摘 要：選取基于背靠背雙PWM拓撲結(jié)構(gòu)的永磁同步風力發(fā)電機，通過時間序列的跟蹤風速預測獲取最佳葉尖速比，以實現(xiàn)最大功率跟蹤。現(xiàn)首先采用SVPWM技術(shù)控制空間電壓矢量，使電機穩(wěn)定運行，其次搭建相應控制模塊模型，最后通過仿真軟件，驗證模型相關(guān)性能。

　　關(guān)鍵詞：背靠背PWM;最佳葉尖速比法;SVPWM;仿真建模

　　0 引言

　　隨著清潔能源的普及，風能已成為電力系統(tǒng)內(nèi)不可或缺的一部分，如今常用的風力發(fā)電機有永磁同步風力發(fā)電機，其機組并網(wǎng)問題較為復雜，若直接并網(wǎng)，風機發(fā)出的交流電性能不穩(wěn)定，其頻率和幅值會實時變化，可能會對電網(wǎng)產(chǎn)生瞬間沖擊電流;若電網(wǎng)電壓降低或抬升，也會影響同步發(fā)電機定子側(cè)電流，造成風電機組運行不穩(wěn)定，進而影響并網(wǎng)。因此，應用全功率變流器將電網(wǎng)和風力機組隔離，使網(wǎng)側(cè)逆變器發(fā)出的電流頻率和幅值與電網(wǎng)同頻同相。

　　1 變流器拓撲結(jié)構(gòu)

　　如今常用的變流器結(jié)構(gòu)有兩種：(1)機側(cè)不控整流器+boost升壓斬波電路+網(wǎng)側(cè)PWM逆變器;(2)雙PWM控制的功率變換器。

　　對于(1)而言，因采用不控整流器，故輸出為非線性直流，其具有很大的諧波，部分能量由諧波分散，進而使直流電壓低于期望值，必須加入boost升壓電路和斬波電路將電壓抬升至可逆變并網(wǎng)的直流母線電壓并在一定程度上消除諧波，但該變流器結(jié)構(gòu)諧波仍然很大，且不具備四象限運行能力。因此選擇具有恒定輸出直流母線電壓并能夠通過調(diào)節(jié)交直軸電流進而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的背靠背PWM變流器[1]進行建模。

　　2 變流器控制策略

　　2.1 最大功率跟蹤策略

　　對風機而言，一定的槳距角對應一定的風能利用系數(shù)曲線，有如下關(guān)系：

　　式中：Pω為風機輸出機械功率;ρ為空氣密度;A為槳葉受風面積;Vω為風速;Cp為風能利用系數(shù);λ為葉尖速比;β為槳距角;λi為中間變量;ωω為風機轉(zhuǎn)速;R為風機葉輪半徑。

　　由公式可以看出，風能利用系數(shù)直接決定著風機輸出的機械功率，且在恒定功率的情況下，槳距角越大，風能利用系數(shù)越低。因此，當功率低于額定功率時，可以通過調(diào)節(jié)勵磁來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩進而調(diào)節(jié)輸出功率，實現(xiàn)最大風能跟蹤;而當功率高于額定功率時，可以適當增大槳距角使功率穩(wěn)定在額定功率處，在風能利用系數(shù)曲線中記式(5)，風能利用系數(shù)曲線如圖1所示。

　　即在最佳葉尖速比λopt時具有最大風能利用系數(shù)，因此為使風機工作在最大功率處，采用最佳葉尖速比法，其控制原理如圖2所示。

　　由圖可知，為了使得λ維持在λopt處，要引入控制原理中的負反饋，根據(jù)風速，實時調(diào)整風機轉(zhuǎn)速，使其比值與參考葉尖速比相比較，而此處必須要預先知道風速，故引入常用的時間序列預測方法，構(gòu)建SARIMA(p，d，q)(P，D，Q)的含季節(jié)成分時間序列預測模型：

　　2.2 空間電壓矢量PWM控制技術(shù)

　　為了使同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，需控制發(fā)電機定子感應磁場矢量以恒定速度旋轉(zhuǎn)，且大小不變，而磁場由電流產(chǎn)生(F=Ni)，因此需要控制電流矢量大小不變，且在空間勻速旋轉(zhuǎn)。由此引出SVPWM技術(shù)，其中，六拍逆變器如圖3所示。

　　由此可知，要控制電壓向量為圓形旋轉(zhuǎn)向量，而上圖的六拍逆變器只能控制其為六個基本矢量，因此采用SVPWM，其原理為任意一個矢量均可以由其所在扇區(qū)的兩條矢量合成，相應電壓空間矢量六邊形如圖4所示。

　　因此，可以不斷變換開關(guān)，使電壓矢量形成一個圓形旋轉(zhuǎn)向量，而工作頻率越高，交流電動機的磁通就越接近圓形，其SVPWM控制模塊分為扇區(qū)判斷、時間計算、時間配合和脈沖產(chǎn)生四個模塊，搭建的MATLAB/Simulink模型如圖5所示。

　　3 控制策略仿真分析

　　在MATLAB/Simulink[2]中搭建背靠背PWM變流器的風機模型，設(shè)置初始參數(shù)定子相電阻為0.009 Ω，電樞電感為0.000 75 H，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為1.6，轉(zhuǎn)動慣量為0.032 kg·m2，粘性阻尼為0.000 6 N·m·s，極對數(shù)為三對極，由于風速實時變化，故以階躍風速為例進行仿真分析，初始風速為11 m/s，在1 s時變?yōu)?8 m/s。

　　若電網(wǎng)電壓矢量固定于d軸，則d軸為電流有功分量，q軸為電流無功分量，開始約為0.3 s，q軸電流達到穩(wěn)定，當1 s風速突變時，相應的電流無功分量也相應改變，而后達到穩(wěn)定，但d軸有功分量一直都維持在0左右，表明本文實現(xiàn)了有功和無功的解耦控制，交軸電流仿真結(jié)果如圖6所示。

　　同時，在1 s時三相交流電流對風速及時作出反應，相應調(diào)整三相交流電流大小，表明電機可以及時對風速變化作出反應，仿真結(jié)果如圖7所示。

　　在仿真過程中的直流母線電壓基本恒定，符合背靠背同步風力發(fā)電機整流逆變要求，仿真效果良好，如圖8所示。

　　4 結(jié)語

　　永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機并網(wǎng)是一個復雜的過程，本文僅從雙PWM結(jié)構(gòu)中的控制策略方面進行了相應的分析和仿真，現(xiàn)實并網(wǎng)還有許多問題亟待解決。

　　[參考文獻]

　　[1] 章心因.變速永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)交直流并網(wǎng)低電壓穿越技術(shù)研究[D].南京：東南大學，2016.

　　[2] 常波.基于Matlab/Simulink的直驅(qū)式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真[D].南京：南京理工大學，2012.

　　作者：董浩文

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