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新型直驱式永磁风力发电系统的控制

摘要：近年来，风力发电备受瞩目，大功率直驱式永磁同步发电机由于原理简

单、技术成熟，在新能源领域应用前景广阔。其中直驱式永磁同步发电机更是由

于其无刷和没有齿轮增速结构而越来越受到关注。本文对新型直驱式永磁风力发

电系统的控制进行探讨。

关键词：直驱式永磁；风力发电；控制

一、矩阵变换器

、工作原理1

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。

、调制2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

、基本结构1

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。

、解耦2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。

调节器的设计3PI

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