关键词：直驱式永磁；风力发电；控制
一、矩阵变换器
1、工作原理
矩阵变换器在双向开关的基础上，应用脉宽调制方法，获取目标电压，可以产生交流或直流电压。三相－三相矩阵变换器采用9个双向开关，组成3x3调制矩阵，其电路拓扑结构如图1所示。矩阵变换器的输入侧在一般情况下为三相电压源，输出一般接三相感性负载。所以，由电压源和电流源的物理特性可知，矩阵变换器工作时，输入端不能短路，输出端不能开路。
2、调制策略
目前，矩阵变换器的调制策略主要包括直接传递函数法、间接空间矢量法、直接空间矢量法及双电压控制法等。笔者采用的间接空间矢量法是由RodriguezJ于1983年提出的一种基于“虚拟直流环节”概念的控制方法。理论上，矩阵变换器可以等效成一个交－直变换器加一个直－交变换器，用脉宽调制技术分别对交－直变换器和直－交变换器进行调制，以此来传递能量。矩阵变换器输出线电压Uol空间矢量可以定义为:
输出电压矢量的合成原理如图2所示。任意时刻该空间矢量Uol可由两个相邻的非零开关矢量uα、uβ、(从u1～u6中选择)合成得到。
开关矢量的作用时间，即占空比分别为dα、dβ和dov，可由空间矢量调制原理和正弦定理取得:
其中，Tα、Tβ、Tov分别为uα、uβ和u0在一个采样周期中的作用时间;Ts为采样周期。矩阵变换器等效模型中，直－交变换器与交－直变换器的输入相电流空间矢量调制方法同理。对矩阵变换器的调制，实际上就是将上述两个调制过程有机结合。间接空间矢量法可以方便计算，降低控制电路的条件，并且不需要人为引入低频谐波，增加系统的谐波含量，这样矩阵变换器的电压利用率得以明显提高，并且可以随意控制输入电流的相位差。
二、系统控制策略
1、基本结构
直驱式永磁风力发电系统基本结构如图3所示。永磁同步发电机直接与风轮相连接，叶片将风能转化为永磁同步发电机转子的动能，再通过电磁感应在定子中产生电能，最后通过全功率电力电子器件———矩阵变换器变换后并入电网。
2、解耦控制策略
利用PARK变换，在三相静止坐标系中，将转子永磁体磁场方向定为d轴方向，得到两相同步旋转坐标系下永磁同步发电机的数学模型:
其中，ud、uq表示定子电压分别在d轴和q轴的分量;id、iq表示定子电流分别在d轴和q轴的分量;Ψd、Ψq表示定子磁链分别在d轴和q轴的分量;rs表示定子绕组电阻;Ld、Lq表示定子的直、交轴电感;Ψm表示转子磁链;ωe表示转子电角速度;pn表示发电机极对数;Te表示电磁转矩;TL表示发电机输入机械转矩;J表示发电机转动惯量。一般来说，在永磁同步发电机中，定子的直、交轴电感相等，因此由上述模型可得:
(1)
由式(1)可以看出，永磁同步发电机的电磁转矩只与定子电流在q轴上的分量iq有关，因此如果把id控制为0，可以得到发电机的最大转矩。因此发电机定子输出有功功率P和无功功率Q在d-q坐标系下可表示为:
由于风力发电并网时不需要无功功率，所以Q=0，因此得ud=0。
综上，永磁同步发电机解耦控制策略为:d轴定子电流为0，d轴定子电压为0。
3PI调节器的设计
将磁链方程代入三相静止坐标系下发电机定子电压方程，得到:
根据式(2)设计控制系统电流环PI控制器。设PI控制器的补偿项分别为comp1、comp2，则:
根据以上计算过程搭建直驱式永磁风力发电系统仿真图如图4所示。
三、仿真研究
设置直驱式永磁风力发电系统的初始运行风速为6m/s，模拟风速逐渐增大，2s之后风速达到10m/s。观察此时系统中各个波形的变化。图5为风速增大前后，发电机输出有功功率和无功功率的特性曲线。可以看出，当运行风速在6m/s时，发电机能够产生400kW的有功功率。当风速增大至10m/s后(即第20ks时)，发电机能够发出700kW的有功功率。而发电机产生的无功功率则始终维持在0，只是在风速变化时有轻微波动。
通过分析有功功率和无功功率波形可以发现，发电机产生的有功功率和无功功率没有相互影响，说明所采用的控制策略实现了单独控制。定子发出的有功功率能够随着实际风速的增大而增大，且无功功率始终为0，符合电网对风力发电并网的功率要求。图6为矩阵变换器输入电压和电流的波形。可以看出，电压波形以基波为主，电流波形基本上为正弦波形。
以上分析说明，采用矩阵变换器作为换流元件的直驱式永磁风力发电系统具有优良的动态性能。
结束语
笔者采用矩阵变换器作为换流元件，搭建了直驱式永磁风力发电系统模型，模拟了发生风速变化时矩阵变换器的运行情况。仿真结果表明，矩阵变换器－永磁风力发电系统能够单独控制有功功率与无功功率，并且谐波较少。因此，将矩阵变换器应用于直驱式永磁风力发电系统是一种较好的风力发电方式，具有较好的应用前景。
参考文献：
[1]赵卓鹏，贾石峰．直驱式风力发电系统矩阵变换器的控制研究［J］．电气制造，2011，(5):42～44．
[2]关英．采用矩阵变换器的直驱式永磁风力发电机运行控制研究与实现［D］．天津:天津大学，2008．
论文作者:许莹
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年13期
论文发表时间:2019/11/8
标签：变换器论文; 永磁论文; 矩阵论文; 定子论文; 发电机论文; 功率论文; 矢量论文; 《当代电力文化》2019年13期论文;