基于电压源换流器的并网结构及控制方案

风力发电的利用方式有三种，独立运行（离网型）供电系统、混合式供电系统以及并网供电系统。前一种应用于尚未通电的偏远地区，如边远农村、牧区等地，它是通过小型风力发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端负载供电。蓄电池可以消除风力能量和负载需求之间的不匹配。混合式供电系统是由中型风电机与柴油发电机或光伏太阳能电池组成，目前这类混合系统主要用来作为分布式发电中的小电网，解决社区重要负载用电问题。并网供电系统，一般采用并网型风电机组，它是利用风电的最好形式。

根据发电机的种类，风力发电的并网方式大致可以分为异步发电机、双馈发电机和同步发电机三种方式，主要区别在于如何解决电机定子同步频率与电网频率的同步问题。异步发电机并网一般不用电压源换流器，此处不再赘述。

双馈发电机并网电路如图6-22所示。双馈发电机具有定子和转子两个绕组，定子绕组直接与电网相连，而转子绕组接入频率、幅值和相位都可以按照要求进行调节的交流变频电源。变频电源常由交-直-交两级换流器组成，网侧换流器实现直流母线电压的稳定控制，完成转子侧与电网间有功功率和无功功率的交换，转子侧换流器用于双馈发电机的转子励磁控制，实现最大风能跟踪。

图6-22 双馈发电机并网电路图

直驱式风力发电机是一种由风力直接驱动发电机，叶轮与电机直接连接进行驱动，免去齿轮箱这一传统部件，亦称无齿轮风力发动机。永磁直驱型风力发电机具有无齿轮箱、效率高、可靠性高和维护成本低等优点，逐渐成为变速恒频风力发电机组的主流机型之一。下面着重说明永磁同步风力发电系统的控制。

永磁同步发电机，其发电机的输出电压频率能够随着风力机转速的变化而变化。当实现并网时，一般采用交-直-交结构的变频装置来输出恒定频率的交流电，如图6-23所示。由于直驱式风力发电的发电机转速（或角频率）与并网频率脱钩，可使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行，提高风能利用效率。同步发电机在运行中，既能输出有功功率，又能提供无功功率，周波稳定，电能质量高。当风电场通过长的低压输电线和小容量电网相连时，该优势尤为突出。

图6-23 直驱式同步风力发电系统主电路结构

6.3.3.1 永磁同步发电机数学模型

设d轴正方向定向在永磁体基波磁场方向上，逆时针旋转90°为q轴，则dq轴坐标下的永磁同步发电机定子磁链方程为^［8］

式（6-29）中，ψ_d、ψ_q为dq轴磁链，L_d、L_q为电枢绕组dq轴电感，i_d、i_q为dq轴电流，ψ_f为永磁体磁链。

dq轴坐标下的定子电压方程如式（6-30）。

式中 R_r——电枢绕组电阻；为微分算子。

将（6-29）代入（6-30）可得定子电压dq轴分量u_d和u_q公式（6-31）。

6.3.3.2 永磁同步风力发电系统的控制策略

直驱式风力发电系统的控制分为发电机侧整流控制和电网侧逆变控制两个部分。

（1）机侧整流VSC的控制策略

发电机侧整流控制部分实现对同步发电机的控制，其实现目标是：①控制风力机的转速，使其捕获当前风速下的最大风能，获取最大输出功率；②将永磁同步电机发出频率和幅值变化的交流电整流成直流电。

永磁同步电机的输出特性是随着发电机转速的大小而变化的，其发电机输出电压频率也随之变化。风力机在当前风速下的最大风能利用取决于风力机的转速，对于直驱风力发电机而言，发电机的输出频率与风力机转速成正比。因此，永磁同步发电机组的最大功率点跟踪控制目标为发电机输出频率。在当前风速下，当发电机输出电压角频率为最优时，风力机就捕获当前风速下的最大风能，发电机输出了最大功率，那么整流侧控制目标为发电机转子角速度ω_r。

永磁同步电机的电磁转矩方程为

T_e＝n_p[（L_d-L_q）i_di_q＋ψ_fi_q]

通常对于圆柱形永磁同步电机，L_d＝L_q，所以上式可变为T_e＝n_pψ_fi_q，由此可以看出T_e与i_q成比例，那么通过调节i_q就可以调节永磁电机的电磁转矩，进而调整转速，可使系统运行在最佳叶尖速的状态下。

由式（6-31）可以得出式（6-32）

式（6-32）中，i_d.ref、i_q.ref分别为dq轴电流参考值，u_rd、u_rq为机侧整流器控制输出量。通过对i_d、i_q的PI调节控制，使其跟踪参考电流值，实现对电机转矩和转速的控制，并通过耦合项ω_eL_di_d和ω_eL_qi_q以及前馈项ω_eψ_f的补偿方法消除了dq轴之间的相互耦合。根据式（6-32），机侧整流VSC控制框图如图6-24所示。(www.xing528.com)

图6-24 机侧整流VSC控制原理框图

该控制系统采用转速外环控制、电流内环控制方式。其中转速外环控制可以实现发电机转子角速度ω_r跟踪最佳转速ω_ref，实现最大功率点跟踪。在电流内环控制中，直轴电流i_d.ref＝0，可控制发电机输出无功为0；通过对交轴电流i_q的控制来实现对转矩的控制。这种控制方式称为零d轴电流矢量控制，该控制方式具有控制简单、不存在退磁问题、转矩与电流线性化等优点。

（2）网侧逆变VSC的控制策略

网侧逆变VSC的任务是，一方面稳定直流母线电压，实现整流侧与逆变侧有功功率的平衡，在随着风速的波动时能将整流侧电能实时传输到电网上；另一方面还要实现稳定的无功功率控制和有功功率的跟随。目前对于网侧换流器常采用电网电压定向的矢量控制技术。

网侧逆变VSC与电网的有功功率和无功功率交换公式为

上式中u_sd、u_sq为网侧电压dq分量，i_sd、i_sq为网侧电流中的有功和无功分量。因为网侧逆变VSC采用电网电压定向矢量控制，d轴与电网电压a轴重合，所以u_sd＝U_s，u_sq＝0。则上式可以变为

上式说明，调节电流矢量在dq轴上的分量即可单独控制有功和无功功率。

网侧逆变VSC的数学模型可所示如下

式（6-34）中，u_id、u_iq为控制输出量。系统稳态时，式（6-34）微分项为零，可得稳态方程

那么基于电网电压定向矢量控制框图如图6-25所示，采用电压外环和电流内环的双闭环控制结构。电压外环是将直流电压参考值与实际直流电压进行比较，差值经PI调节可以得出网侧d轴参考电流i_sd.ref；q轴参考电流i_sq.ref可以根据无功设定值和式（6-33）来获得。通过电网电压u_s的前馈补偿可以克服由电网电压波动引起的扰动；ωLi_sq和ωLi_sd为解耦项，实现有功电流和无功电流独立控制。

图6-25 逆变侧换流器控制原理框图

（3）风力发电并网仿真

通过前述原理和控制方法，建立永磁同步风电机组组成的风电并网仿真系统，原理如图6-26所示。整流VSC的控制策略采用零d轴电流矢量变换的控制策略，逆变侧采用基于电网电压定向矢量控制策略，控制目的是使风力机输出最大风能，并将其转化的电能尽可能的全部传输到电网上。仿真系统中风力机参数是：桨叶半径16.6m，桨距角15°，空气密度1.1kg／m³；永磁同步电机的参数：定子电阻R＝0.2Ω，定子dq轴电感L_d＝L_q＝0.0126H，极对数n_P＝6；直流侧电容4000μF，交流侧电感L＝1mH。

图6-27给出了风速在12m／s和14m／s阶跃变化时的发电机定子角速度、整流器输出功率、逆变器注入电网功率、直流母线电压、并网电流信号的仿真结果。经计算在风速为12m／s时风机应输出0.86MW，风速为14m／s时风机应输出1.3MW。由于系统的效率和损耗问题，整流器输出功率和逆变输出功率略低于风机输出功率。同时也可以看出，当风速发生变化时，整流器传输功率、逆变器传输功率、并网电流信号都会相应地变化。直流母线电压稳定在1000V，并随风速变化而出现较小的波动。

图6-26 风电并网系统控制结构框图

图6-27 风速变化时风机并网主要参数变化波形

a）风速v b）发电机角速度

图6-27 风速变化时风机并网主要参数变化波形（续）

c）整流侧输出功率 d）逆变器注入电网功率 e）直流母线电压 f）逆变并网电流