１９６
动力
工程
第２９卷
背变流器作为直驱式风力发电系统的全功率变流器具有优良的性能，通常使用基于数字信号处理器（ＤＳＰ）的数字化控制，控制方法灵活，具有四象限运行功能，可以实现对电机调速和输送到电网电能质量的优良控制［３，４Ｊ．国外有关研究较多，主要集中在变流器建模、控制算法以及提高其故障穿越能力等方面【５’６］．大型的风电厂商已有成熟的直驱风电变流器产品．国内对该变流器的研究也正在开展．
笔者对永磁直驱风电系统背靠背双ＰＷＭ全功率变流器的电路结构和控制原理进行了分析和讨论，基于Ｍａｔｌａｂ仿真软件构建了完整的系统模型，对其稳态和动态性能进行了仿真分析；并在实验室构建了永磁直驱风电系统试验平台和变流器系统，
实现了电机侧变流器对ＰＭＳＧ的解耦控制，以及电网侧变流器的单位功率因数控制．
１双ＰＷＭ变流器工作原理
双ＰＷＭ变流器由电机侧变流器和电网侧变流器构成，电机侧变流器实现对ＰＭＳＧ的控制，即有功无功的解耦控制和转速调节；电网侧变流器实现输出并网、输出有功无功的解耦控制和直流侧电压控制‘７曲］．图１为背靠背双ＰＷＭ四象限变流器的结构图．采用双ＤＳＰ分别对电机侧变流器和电网侧变流器进行控制，并在２个ＤＳＰ之间进行通讯以协调２个变流器之间的工作．
图１基于ＰＭＳＧ的双ＰＷＭ四象限变流器结构图
Ｆｉｇ．１
Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆ
ｄｕａｌ—ＰＷＭｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ
ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
ｆｏｒＰＭＳＧ
图２是双ＰＷＭ四象限变流器的控制原理图．发电机侧变流器的控制器为双环结构，包括转速外环和ｄ、ｑ轴电流内环，可控制发电机的电磁转矩和输出无功功率．模型以发电机转子磁通为参考坐标系，电压方程如下：
式中：乱。小“。和ｉ。小‰分别为发电机定子输出电
压、电流的ｄ轴和口轴分量；ｋ、Ｌ。分别为定子ｄ、ｑ轴电感；Ｒ。为电阻；甜为电机转速；缈为永磁磁通．
当采用ｉ。．。一。控制时，发电机的电磁转矩方程
如下：
图２双ＰＷＭ四象限变流器的控制原理图
Ｆｉｇ．２
Ｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｏｆ
ｄｕａｌ－ＰＷＭｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ
ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
约
口
０奶
３—２
．
＝
数
Ｌ
贼机
电发为中式艘
＋
●
”
．“．１
鲫一
ｍＬｋ一＋
ｄ一
●
亟出亟出如
ｋ
＋
＋ｄ
口
Ｓ
Ｓ
，“
ＲＲ
＝ｌＩ‰
“
第２期胡书举，等：基于永磁同步发电机的直驱风电双脉宽调制变流器的研制１９７
式（２）表示电机电磁转矩可以通过定子电流的
ｑ轴分量进行控制．
电网侧变流器的控制器也为双环结构，包括直
流侧电压外环和ｄ、ｑ轴电流内环，可控制直流母线
电压以及流向电网的无功功率．在两相同步旋转的
ｄ、ｇ坐标系中，使ｄ轴定向于电网电压矢量，则电网
侧变流器的模型可以表示为：
ｄ幻出
ｄ如出
ｄＵｄ。出
Ｒ
Ｌ
。——ｆｏｇ
３Ｓｄ
２Ｃ
∞ｇ
Ｒ
Ｌ
３Ｓ
２Ｃ
丢ｏｏ
０．；１．０
Ｌ
００～石１
Ｌ／
Ｓｄ
Ｌ
Ｓ口
Ｌ
Ｏ
（３）
式中：ｉ。、ｉ。分别为电网侧变流器输出电流的ｄ、ｑ轴
分量；ｕ。、“。分别为三相电网电压的ｄ、ｇ轴分量；
Ｓ。、Ｓ。分别为开关函数Ｓ（忌一ａ，ｂ，ｃ）变换到ｄ、ｑ坐
标系中相应的开关函数；Ｕｄｃ为直流侧电压；Ｌ和Ｒ分
别为输出交流感抗的电感和电阻分量；Ｃ为直流侧电
容；‘为直流侧输出电流；吒为电网基波角频率．
２仿真结果
基于上述工作原理，利用仿真软件Ｍａｔｌａｂ７．３／
Ｓｉｍｕｌｉｎｋ６．５构建了使用背靠背双ＰＷＭ变流器的
永磁直驱风电系统［１“１１］，其仿真模型示于图３．该系
统使用多极低速永磁同步发电机，并且令转速缓慢
变化到给定值．为了观测发电机在转速不变的情况
下，输入转矩变化时系统的动态响应特性，将发电机
驱动转矩初始值设定为一１５Ｎ?ｍ，在０．４Ｓ时突变
为一２５Ｎ?ｍ；为了模拟系统对转速给定的跟踪能
力，将转速给定由开始的１３０ｒ／ｍｉｎ在０．６Ｓ时改为
图３Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中的永磁直驱风电系统仿真模型
Ｆｉｇ．３Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅｎｗｉｎｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｉｎＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ
１８７．５ｒ／ｒａｉｎ；为研究电网侧变流器在输出单位、滞后、超前３种功率因数情况下的动态特性，电网侧变流器控制器的无功电流开始设定为ｉｌ，ｄ＝一３０Ａ，在０．８ｓ时改为ｉ州一０Ａ，在１ｓ时改为ｉ州＝３０Ａ；仿真中电容电压初始值设定为５６０Ｖ．双ＰＷＭ变流器仿真电机参数和系统参数分别示于表１和表２．图４为电机侧变流器的仿真波形．其中图４（ａ）、（ｂ）分别为电机转速和转矩的变化衄线．由图４（ａ）可看出，仿真系统中转速能够很好地跟踪参考值，在转矩突变、电网侧无功电流如突变等情况下，几乎没有波动．从图４（ｂ）可看出，在转速上升期间，电磁转矩小于给定的机械驱动转矩，这是由于电磁转矩、驱动转矩和转速之间满足：
一Ｉｎ
Ｔｍ—ｔ＝Ｊ半（４）
（１Ｔ
式中：Ｔｍ为输入机械转矩；０为机械角速度；Ｊ为转动惯量．
表１双ＰＷＭ变流器仿真电机参数
Ｔａｂ．１Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｕｓｅｄｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｏｆｄｕａＩ－ＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
参数值参数值额定转速／（ｒ?ｒａｉｎ一１）１８７．５额定转矩／（Ｎ?ｍ）２６定子电阻／ｎ０．２直轴电感／ｍＨ９交轴电感／ｍＨ９磁通／Ｗｂ０．１２转动惯量／（】‘ｇ?ｍ２）０．０１６极对数８摩擦因数／（Ｎ?ｍ?ｓ）０．０００２
表２双ＰＷＭ变流器仿真系统参数
Ｔａｂ．２Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｓｙｓｔｅｍｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ
ｄｕａＩ－ＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
参数值参数值母线电压／Ｖ５６０交流侧电阻／ｎ０．０１整流器频率／ｋＨｚ２．５直流侧电容／ｍＦ６．８交流侧电感／ｍＨ３．０逆变器频率／ｋＨｚ２．５电网相电压／Ｖ２２０电阚频率／Ｈｚ
５０
１９８
动力工程第２９卷
同样在０．６Ｓ时，转速缓慢增加，机械转矩大于电磁转矩，很好地实现了电磁转矩对给定转矩的跟踪，并且电磁转矩脉动较小．从图４（ｃ）可看出，在０．４ｓ转矩突变时，有功电流ｉ。也发生突变，这是因为电磁转矩与ｉ。成正比，ｉ州在整个过程中基本保持为０．在０．４ｓ，Ｏ．６ｓ、０．８Ｓ和１Ｓ时，ｉ。．ｄ有一些波动，这是由于转矩突变以及网侧无功电流ｉ。突变引起的．由图４（ｄ）可看出，电机定子侧三相电流ｉ。、ｉ如、ｉ。的波形比较接近正弦波，谐波含量较小，在０．４ｓ转矩突变时，电流幅值随之有明显的变化．
图５为电网侧变流器的仿真波形．其中图５（ａ）
《
毒
●
墨
（ａ）实际转速与给定转速
（ｃ）电机佣ｄ、ｑ轴电流ｉ“、ｉⅧ为直流侧电压己，ａ。的波形，当电机转速、转矩和网侧无功电流变化时，Ｕａ。基本保持在５６０Ｖ不变．图５（ｂ）为电网侧有功电流ｉ。和无功电流ｉ。的波形．从图中可以看出，在发电机转速增加时，ｉ。同时增加，在转矩突变时，ｉ。也突变，这是由于有功电流与系统的有功功率成正比，而发电机输入至背靠背变流器的有功功率与发电机转速和转矩的乘积成正比；无功电流ｉ。能够很好地跟踪参考值，有功电流的变化基本上不会影响无功电流，反之亦然，这表明电网侧变流器实现了有功功率和无功功率的解耦控制．
（ｂ）电磁转矩与给定转矩
３８０．３８５０３９０．３９５０．４０．４０５０４１０４１５０．４２
ｆ／ｓ
（ｄ）电机侧三相电流ｉ。、ｉ，ｂ、ｉ。
图４电机侧变流器的仿真波形
Ｆｉｇ．４Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｇｅｎｅｒａｔｏｒ－ｓｉｄｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
（ａ）直流侧电压Ｕｄｃ‘ｂ）电网侧耍流器ｄ、ｇ钢黾搋ｉａ、‘
图５电网侧变流器的仿真波形
Ｆｉｇ．５Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｇｒｉｄ—ｓｉｄｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
图６为电网侧变流器无功电流给定突变时的仿真波形，“。和Ｌ分别为电网侧口相电压和电流．从图６（ａ）可看出，当ｉａ＝一３０Ａ时，ｉ．滞后‰，电网侧变流器同时向电网发送有功功率和无功功率；当ｉ。＝ＯＡ时，ｉ。与地同相位，只向电网输送有功能量．从图６（ｂ）可看出，当ｉｄ＝３０Ａ时，ｉ。超前‰，电网侧变流器在输出有功功率的同时，也从电网吸收无功功率；当ｉｄ－－－－０Ａ时，ｉ。幅值减小，这是由于从０．６Ｓ以后电流有功分量ｉ。保持不变，在无功分量ｉ。的绝对值变大时，电流合成矢量的模变大，ｉ。幅值也相应变大．
∞如∞ｍ
Ｏ
ｍ加∞∞ｎ
一
一
一
一
２００动力工程第２９卷
（ｃ）变频器设定频率３２Ｈｚ，ＰＭＳＧ转速１７６ｒ／ｒａｉｎ（ｄ）变频器设定频率４０Ｈｚ，ＰＭＳＧ转速２２０ｒ／ｒａｉｎ
图８双ＰＷＭ变流器的试验波形
Ｆｉｇ．８Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｗａｖｅｆｏｒｒｎｓｏｆｄｕａｌ－ＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
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ｓｈｏｒｅｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄｄｉｒｅｃｔｌｙ－ｄｒｉｖｅｎｐｅｒｍａｎｅｎｔ－ｍａｇ—
ｎｅｔｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ
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