直驱式风力发电系统多电平变流器的仿真分析

一个完整的直驱式风力发电系统包括风力机模型、大容量变流装置、滤波装置、电网。根据本文控制策略建立的系统控制结构如图4所示。

根据控制策略与建模要求，运用Matlab/Simulink软件建立了上述直驱型永磁同步电机风力发电系统。系统参数如表4所示。

图4 直驱式永磁同步风力发电系统控制框图

表4 直驱式风力发电系统参数

仿真时设风速稳定在14m/s，此时发电机转速恒定，定子侧输出电压恒定，维持在2kV左右。定子侧输出的电压接入背靠背三电平变流器进行变压变频控制。由于模拟的是并网模式，所以负载等效为阻感负载，而阻感负载仅适用于低调制度下的调制。因此本文仅对低调制度下进行研究。定义调制度m=U_ref/（2U_dc）。其中，U_ref为参考电压，2U_dc为直流侧电流。

仿真得到的波形如图5～7所示。整流侧和网侧变流器调制度均为m=0.5。图5为直流侧相关电压波形图。经过PWM整流后，直流侧母线电压维持在3kV，如图5（a）所示；图5（b）是直流侧分压电容的电压波形，可见直流母线电容电压波动小，波动范围维持在±50V之内，中点电位偏移很小，达到了控制要求。图6为采集到的0.9～1s间的三相输出线电压波形和电流波形。由图6（a）可见，三相波形对称性好，电压频率为50Hz，达到了并网中频率50Hz的要求。图7为未滤波的电流频谱分析图，电流基波幅值为1007A，总谐波畸变率为12.76%。

图5 m=0.5时的直流侧相关电压波形

a）直流母线电压 b）直流侧分压电容的电压

图6 m=0.5时的线电压与电流波形

a）三相线电压 b）电流波形

为了说明控制策略的调制范围，本文对调制度m=0.866和m=0.433也进行了仿真实验。图8～10分别为调制度m=0.866时的实验波形。可以看出，采用本文提出的控制算法达到了很好的控制效果，图8b的直流母线电容电压波形图中中点电位在0～0.6s之间波动范围很小，而在0.6s后，波动范围维持在±50V之内。对比于图6、9的三相线电压与电流波形调制度高的算法电压幅值大，并且电流波形更接近于正弦波。图10为未滤波的电流频谱分析图，电流基波幅值为1284A，总谐波畸变率为2.89%。对比图7、10可见，随着调制度的提高，谐波含量明显减少，总的谐波畸变率下降。达到了并网所要求的谐波畸变率含量为±5%。对于m=0.433，调制的效果并不理想。从图11a的直流母线电容波电压形可以看出，中点电位偏移严重，并且输出三相线电压波形退化为两电平。(www.xing528.com)

图7 m=0.5时的电流频谱分析

图8 m=0.866时的直流侧相关电压波形

a）主电路U_ab b）主电路U_ab局部放大图

图9 m=0.866时的线电压与电流波形

a）三相线电压 b）电流

由以上分析可以看出，本文提出的控制策略适用于调制度m=0.5～0.866，并且对于高调制度具有好的调制效果。对于低调制度，该控制策略不能起到很好的抑制中点电位偏移的效果。

图10 m=0.866时的电流频谱分析

图11 m=0.433时的相关波形

a）直流侧分压电容的电压 b）三相线电压