直驱永磁同步风力发电机组建模与仿真

Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｉｓｉｏｎ　科技视界　科技・探索・争鸣　直驱永磁同步风力发电机组建模与仿真　王旭峰　（安徽ｔｉ　Ｔ大学电气与信息工程学院，安徽淮南２３２００１）　【摘要】本文针对兆瓦级的永磁直驱同步风电机组（Ｄ—ＰＭＳＧ）多运行于并网发电状态，在ＤＩｇＳＩＬＥＮＴ／ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒｙ仿真软件中搭建了基　于双ＰＷＭ全功率变流器的Ｄ—ＰＭＳＧ并网仿真模型；阐述了系统的运行原理，对机侧和网侧的变流器的控制策略进行了详细的分析，该系统能　够实现风能最大功率追踪以及并网控制．仿真结果验证了所建模型的正确性和控制策略的可行性。　【关键词】风力发电；永磁直驱同步发电机；双ＰＷＭ变换器；并网；ＤＩｇＳＩＬＥＮＴ／ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒｙ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　Ｔｈｅ　Ｄｉｒｅｃｔｌｙ　Ｄｒｉｖｅｎ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ、ｖｉｔｈ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ＷＡＮＧ　Ｘｕ－ｆｅｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ　Ａｎｈｕｉ　２３２００１，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｄｉｒｅｃｔ—ｄｒｉｖｅ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅｓ　ｆｏｒ　ｍｅｇａｗａｔｔ（Ｄ—ＰＭＳＧ）ｔｏ　Ｙｏｎ　ｉｎ　ｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＰＭＳＧ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｏｎ　ＤＩｇＳＩＬＥＮＴ／ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒｙ　ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ－ｓｌｄｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｇｒｉｄ—ｓｉｄｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｇｒｉｄ　ｃｏｎｔｒｏ１．ｍｅａｎｗｈｉｌｅ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔＩ１ｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］Ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ＰＭＳＧ；Ｄｕａｌ　ＰＷＭ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；Ｇｒｉｄ—ｃ０ｎｎｅｃｔｉｏｎ；ＤＩｇＳＩＬＥＮＴ／ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒｙ　０引言　目前．大规模风电场大多采用双馈异步发电机，但其存在很多缺　陷。特别在低电压穿越能力方面．因为双馈机的定子直接与电网相连，　Ｍ　Ｍ　当电网发生故障或电压出现波动时会对发电机的正常运行产生很大影　由式（２）可见．在定子电压定向的坐标系下．有功和无功电流是解　—ｌ　ｌ２　３　２　＝　＝　３响　永磁直驱同步风力发电机（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，　耦的　但是由式（１）可见，定子的ｄ、口轴电流除了受定子控制电压　、　ＰＭＳＧ）因其没有故障率较高的齿轮传动，噪音小以及维护成本低等独　的影响外还存在耦合项。所以，在发电机的电流内环控制中，需要　如　－毫　叩　特优势．已经成为风力发电领域重要研究方向。　对定子的ｄ、ｑ轴电流分量分别进行ＰＩ闭环控制　在得到相应的控制　直驱式永磁同步风电机组需经过全功率变流器才能接人电网．目　定压“　和ｕ　之后，分别加上前馈电压交叉项一ｔＯ　Ｌｉ　和　Ｌｉ　＋Ｅ　，　前应用最多的是“ＡＣ—ＤＣ—ＡＣ”变流方式．其中采用背靠背四象限电压　即可实现电流的解耦控制　源型变流器的联网方式由于控制灵活而越来越受到重视　＋　一　２．２网侧变流器控制策略　己　Ｌ　网侧变流器把直流母线电压逆变为与电网电压同频率的交流电．　１　永磁同步风电机组结构　通过调节接收端电流ｄ、ｑ轴分量可以维持直流母线电压稳定．同时对　该直驱永磁风力系统主要采用双ＰＷＭ背靠背方案、其结构如图　流向电网的无功功率进行控制　实现有功和无功的单独控制　本文以　１所示。　直流电压　和网侧变流器与电网交换的无功功率Ｑ　为控制目标，采　用电网电压定向的矢量控制方案．实现有功和无功的解耦控制。选取　同步旋转坐标系的ｄ轴方向为电网电压矢量方向．ｑ轴顺着旋转方向　超前ｄ轴９Ｏｏ，则ｅ　Ｅ：ｅｑ＝Ｏ。网侧变流器的电压方程为：　，　．　图１　直驱风电系统结构示意图　永磁同步发电机定子通过背靠背变流器和电网连接．能够实现网　的ｄ，ｑ轴分量。　侧的独立控制．并把电网不对称故障的影响最大限度的控制在网侧。　㈤　网侧变流器与电网交换的有功功率Ｐｃ和无功功率Ｑ　分别为ｐ】：　机侧ＰＷＭ变流器的主要作用是控制风力发电机的运行．并实现最大　风能跟踪。网侧ＰＷＭ变流器的主要作用是提供稳定的直流母线电　＝式中：ｅｄ、ｅ。为电网电压的ｄ，ｑ轴分量；ｕ　ｕ　为网侧变流器电压　压，并实现网侧的单位功率因数控制。　手（ｅ　手（　）：　３　ｅ　）一手　（４）　２双ＰＷＭ变流器控制策略　由（４）可知，网侧的有功和无功功率只与ｄ，ｑ轴电流有关，实现完　２．１机侧变流器控制策略　全解耦。但是由式（３）可见，网侧变流器动态模型中还存在相互耦合　机侧变流器将频率和幅值变化的交流电整流成恒定直流．同时通　项。通过前馈补偿法分别加上一　Ｌｉ和∞　ｉ　就可以实现解耦。　过调节发电机定子电流的ｄ、口轴分量，进而控制发电机的电磁转矩来　完成最大风能捕获　本文采用定子电压定向的定子电流控制方法．取　３仿真分析　同步旋转坐标系的ｄ轴方向为定子电压矢量的方向，则有　一　，ｕ　：　根据上述理论分析，建立仿真模型，仿真参数：额定功率１．５ＭＷ．　０。　额定电压０．６９ｋＶ，额定转速１８ｒ／ｍｉｎ．极对数３２，定子电阻０．Ｏ００１ｐ．ｎ，　永磁同步电机电流方程　：　直流电容３００００￣Ｆ．直流电压２５ｋＶ．机侧变流器开关频率２ｋＨｚ．网侧　变流器开关频率０．５ｋＨｚ．风机数量４０台．总容量６０ＭＷｏ　该系统共有４个发电单元．每单元出口电压是６９０Ｖ．然后分别经　过一个额定容量为２０ＭＶＡ的机侧ＰＭＷ变流器．将幅值、频率变化的　一　ｍ　“　Ｅ　交流电整流为２５ｋＶ直流电　其中两个单元经过１０ｋｍ直流输电电缆．　发电机的功率为：　另外两个单元经过５ｋｍ直流输电电缆然后共同连接至一个额定容量　…警＝　～　作者简介：王旭峰（１９９２　０５一），男，汉族，安徽天长人，硕士研究生，安徽理工大学电气与信息工程学院，主要研究方向为风力发电并网。　ｓｃｉｅｎｃｅ＆　ｃｈｎ。　。ｇｙ　Ｖｉｓｉ。ｎ科技视界ｌ　７　科技・探索・争鸣　Ｓｃ科ｉｅｎｃｅ＆Ｔｅ技ｃｈ视ｎｏｌｏｇｙＵｉ　Ｖｉｓｉｔ　ｏｎ　为６５ＭＶＡ的网侧ＰＷＭ变流器．将２５ｋＶ直流电逆变为频率５０Ｈｚ的　６９０Ｖ交流电。再通过额定容量为６５ＭＶＡ，额定电压分别为Ｏ．６９ｋＷ　２０ｋＶ和２０ｋＶ／Ｉ　ｌＯｋＶ的两个升压变压器．将电能接入１　１０ｋＶ的无穷　［㈣　．　大电网。仿真结果如图２所示。一　一　）一　一　一　一　　、／　　一　。　　．ｏｏｏｏ４　一一　一　一　一　ｆ．　●１　蝻ｒ　．她一　一　　．一　一　一　一　一　一　一　一　一　一　１．ｏｏｏｏ２……一　●一　～　～　Ｔ　一　．｛一…一　一一十……｝－一…一　……｛牲Ｌ　一　一　－＿－Ｊ－　一　一　１　１１０００１一一…一　一　一　一一一…一　一一＋一一一…卜一一一一一一一一一一一一－４　触～　一　一　一　ｔ．　ｒ　一　一　眦一～　　一～　；　一　一　一　一　一ＧｒｉｄＨｖ＝Ｉ．１，１．Ｍ￣ｎｅｅｅｉｎｋＶ　一　一　一　一　１　●１　煅一一　；一～；　　（ｄ）电网高电压等级的相电压波形图　一　一　一　一　图２各参数仿真结果曲线分布　一　一　、＾　－Ｐ　Ｃｏｌ一　ｌｌｒ￣ｒ：电机有功功牢给定值　图一　一　、＾　．Ｐ　ｏｏ一　ｎ帅ｂｒ电机有功功率实际值　一一　一　由图２（ａ】可见，经历１．１５９ｓ左右的启动阶段后，单台发电机的有　，　　●一１　　一　一　功功率能够达到额定功率１．５ＭＷ并保持稳定。说明在风电场启动之　后．机侧变流器能够控制发电机输出有功功率以实现最佳风能跟踪。　由图２（ｂ）可见，在０．７４ｓ左右网侧变流器能够实现单位功率因数并网　运行；由图２（ｃ）可见，该网侧变流器可以有效维持直流母线电压稳定　在２５ｋＶ；由图２（ｄ）可见．在１．１５９ｓ时电网高压侧的相电压与给定值相　ｔ一一——１一一　等并且保持稳定．是６３．５１ｋＶ。说明本文采用的网侧变流器控制策略　能够维持直流母线电压稳定．同时通过电流解耦控制可以满足有功和　－０．００５…一一一一－ｔＩ一……卜…一一一十…一一一十一一…一｛　无功功率的单独控制　－０．０１０……一’…一一一一　Ｉ一一一一一一　一一一一一一一广一一…一　４结语　．　｝　　Ｉｌ　　ｌｉ　ｎ。１　——　——　——　——　广　本文分析研究了永磁直驱风力发电系统的工作原理．根据机侧和　一ｏ５网侧变流器的控制目标设计了全功率变流器的控制策略　在　——Ｖｄｃ－Ｑ　ｃｏ　接收端无功功事培定值　Ｖｄｃ＿Ｑｃ伽　＿ｅｒ接收蛆无功功率实际值　ＤＩｇＳＩＬＥＮＴ／ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒｙ仿真平台中建立了完整的基于双ＰＷＭ变流　（ｂ）网侧无功功率给定值与实际值比较波形图　器并网的永磁直驱风电系统仿真模型．仿真结果表明系统能很好的跟　１．Ｏ１７一一一一一一一一一…一一一一一一一一…一…　踪参考值．实现最大风能跟踪以及并网有功和无功的独立控制．验证　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　．　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　Ｉ　了该发电场并网技术的可行性。●　【参考文献】　［１］李杰．直驱式风力发电变流系统拓扑及控制策略研究【Ｄ】．上海：上海大学，　２ｏｏ９：２３—２５．　［２］王涛．永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真［Ｊ】．河北大学学报，２０１１（１１）：　６４８—６５２．　［３］Ｌｉｓｅｒｒｅ　Ｍ。Ｃａｒｄｅｎａｓ　Ｒ，Ｍｏｌｉｎａ￣Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ—ＭＷ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｇｉｎｅｓ　ａｎｄ　ｗｉｎｄ　ｐａｒｋｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１ｌ，５８ｆ４）：１０８１－１０９５．　［责任编辑：杨玉洁］　一Ｖｄｃ－Ｑ　Ｃｏ￣ｏｇｅｒ：直流母线电压给定值　Ｖｄｃ－Ｑ　Ｃｏｎｌｒ￣ｌｅｒ：直流母线电压实际值　（Ｃ）直流母线电压给定值与实际值比较波形图　（上接第６０页）对电气、机电一体化专业的学生进行企业概况的宣讲，　程改革；同时使企业对员工的培养从企业延伸到学校．缩短员工入职　并组织对学生进行考核及面试　考核及面试通过的人员组建“格力订　单班”．利用课余时间由企业工作人员对学生进行培训。　后的适应期，并且能获得技能熟练的员工。ｅ　３．４“格力订单班”学生集中到企业参加顶岗实习　【参考文献】　在第五学期的课程及企业培训结束后．订单班的学生集中到企业　［１］祝登义，张纪生，陈蓓．学生顶岗实习管理模式的探索与实践ｆＪ】威都航空职业　进行半年的顶岗实习。在顶岗实习中．学生有固定的实习岗位，完成与　技术学院学报。２００８．２４（３）．　正式企业员工一样的生产实践活动．学生以职业人的身份从事生产性　［２］吴学翠．关于高职院校开设校企合作“订单班”模式的思考【Ｊ１．市场周刊・理论　工作．承担工作岗位规定的责任与义务。　研究．２０１　３（１　ｌ１．　［３］陈瑞三，徐晓歌，吴楠．基于“订单班”的产学研结合人才培养模式【　科学导报，　４结论　２０１３（６）．　在高职教育中．顶岗实习是一个重要的实践教学环节。“订单班”　［４］皇甫静，李贤政．高职院校学生顶岗实习研究与实践【Ｊ１．黑龙江高教研究－２ｏｌｌ　ｆ９１．　培养模式不仅有效促进了学生的顶岗实习．而且能够实现实现校企合　作的共赢。通过“订单班”培养模式的实施，使学校吸收企业参与人才　［责任编辑：汤静］　培养，将企业的先进理念引人管理和教学．有利于推动专业建设和课　科技视界Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｉｓｉｏｎ