永磁直驱风力发电机组并网变流器机侧控制技术的研究
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摘 要
随着经济的高速发展，常规能源短缺、电能供用紧张问题日益突出，利用可
再生能源如风能，对于缓解能源匮乏具有重要的意义。永磁直驱风力发电系统与
其它的风力发电系统相比，具有效率较高、维护量少等优点。而变流器控制是风
力发电系统的核心和技术难点，本文主要针对永磁直驱风力发电系统机侧变流器
的控制进行了研究。
首先介绍了直驱风力发电机组系统拓扑结构，并简述了系统的工作原理。在
旋转坐标系下建立了双星型移相六相永磁同步电机数学模型。基于转子磁场定向
的永磁同步电机的控制策略，设计了转速外环、电流内环的双闭环电机控制器参
数，实现了六相永磁同步电机的矢量控制。为进一步降低系统成本和硬件电路的
复杂性，本文还研究了永磁同步电机的无速度传感器控制技术。提出了滑模观测
器的方案，基于传统的滑模观测器进行了改进，设计了新型滑模观测器。仿真和
实验证明新型滑模观测器可以在更宽调速范围运行。实现了对转子位置的观测。
然后基于风力机的数学模型，分析了风力机的功率特性。根据风力机功率分
阶段控制的特性，获得了不同转速下不同功率调节控制方案。为了与实际的风力
机运行机理更为接近，本文通过直接控制直流电动机的输出功率模拟风力机捕获
风能，实现了风力机最大功率跟踪控制的模拟。
最后利用Matlab建立了整个系统的仿真模型，对上述整个机侧控制系统进行了
仿真研究与分析。同时利用直驱风力发电小功率实验平台对变流器机侧控制方法
进行了实验研究，实验结果验证了本文所采用控制策略的正确性。配合网侧的单
位功率因数控制，系统随着风速的变化，实时将捕获的最大功率并入电网。
关 键 词：永磁同步发电机 空间矢量控制 无速度传感器 功率控
制
ABSTRACT
With the rapid development of economic, the problem of general energy shortage
and electric power supply has become severe. Utilizing renewable energy such as wind
power is significant to solve energy shortage. Compared to other types of wind power
system, the PMSG （Permanent Magnet Synchronous Generator ）direct drive wind
power system has many advantages such as high efficiency and few maintenance. The
converter control is the kernel in wind power system, so the main work of this paper is
for generator side converter control.
Firstly, topological structure of PMSG direct drive in wind power system and the
working principle of system are introduced in this paper. The mathematical model for
double-star shift phase PMSG is founded in rotational coordinate system. Based on
control strategy of rotor magnet field orient research, the double-closed loop controller
parameter of the outer-speed and the inner-current is designed. Vector control
technology of PMSG is implemented.To reduce the cost and hardware complexity, the
speed sensorless control strategy is studied and sliding mode observer is designed. At
the same time, based on improvement of the traditional sliding-mode observer, new
sliding-mode observer is desinged. And simulation and experiment verify that new
method can operate in more wide speed range. The rotor position can be observed.
Secondly, based on math model of wind turbine, the power characteristics of wind
turbine is elucidated. According to characteristic of power grading control, different
power control scheme adapting to different wind speed is put forward.A control strategy
of wind turbine imitation by directly controlling DC motor’s output power is proposed
in this paper, which is closer to the actual operating principle of wind turbine. Then
imitation of maximum power point tracking control was realized.
Finally, system simulation model is established in Matlab/Simulink and the
simulation for all the control strategies is studied and analysed. Based on platform of
small power direct drive wind power system, the experiment of generator side control
strategy is studied and results is effectively validated. System with a unit power factor
for grid side feed maximum power into the grid by tracking the wind speed.
Key Words: PMSG, SVPWM, speed sensorless, power control
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 课题的背景和意义 ..............................................................................................1
§1.2 风电技术发展趋势 ..............................................................................................1
§1.3 直驱风力发电系统典型变流方案 ......................................................................2
§1.3.1 不控整流+升压+逆变方案 .......................................................................... 2
§1.3.2 双脉宽调制背靠背方案 ...............................................................................3
§1.4 本课题所做的工作 ..............................................................................................4
第二章 风力发电机组系统结构及实验平台简介 .........................................................6
§2.1 发电机组系统电机侧控制关键技术 ..................................................................6
§2.2 永磁直驱风力发电系统结构 ..............................................................................7
§2.3 永磁直驱发电机组系统工作原理 ......................................................................8
§2.4 小功率实验平台简介 ..........................................................................................9
§2.4.1 实验平台主电路介绍 .................................................................................10
§2.4.2 控制硬件电路介绍 .....................................................................................11
§2.5 小结 ....................................................................................................................12
第三章 永磁直驱风力发电机控制系统设计 ...............................................................13
§3.1 双 Y 移六相永磁同步发电机数学模型 ............................................................13
§3.2 机侧整流器的数学模型 ....................................................................................15
§3.3 系统控制策略的选择 ........................................................................................17
§3.4 控制系统控制器参数设计 ................................................................................18
§3.4.1 电流内环控制器的设计 .............................................................................18
§3.4.2 速度外环控制器的设计 .............................................................................20
§3.4.3 仿真分析及实验验证 .................................................................................21
§3.5 系统移相空间矢量控制算法的实现 ................................................................23
§3.5.1 移相空间矢量控制策略分析 .....................................................................23
§3.5.2 仿真分析及实验验证 .................................................................................27
§3.6 小结 ....................................................................................................................29
第四章 永磁直驱风力发电机无传感器的控制研究 ...................................................30
§4.1 滑动模态定义及数学表达式 ............................................................................30
§4.2 传统滑模观测器算法 ........................................................................................31
§4.3 新型滑模观测器算法 ........................................................................................33
§4.4 仿真分析及实验验证 ........................................................................................35
§4.5 小结 ....................................................................................................................38
第五章 风力发电系统机侧功率控制 ...........................................................................39
§5.1 风力机的功率特性 ............................................................................................39
§5.2 风力机的功率控制 ............................................................................................40
§5.2.1 风力机的运行过程 .....................................................................................40
§5.2.2 低于额定转速时的最大功率跟踪控制 .....................................................41
§5.2.3 高于额定转速时的恒功率控制 .................................................................42
§5.2.4 功率控制仿真分析 .....................................................................................42
§5.3 直流电机的风力机模拟 ....................................................................................44
§5.4 发电系统机侧功率控制实验验证 ....................................................................47
§5.5 小结 ....................................................................................................................48
第六章 总结与展望 .......................................................................................................49
§6.1 总结 ....................................................................................................................49
§6.2 展望 ....................................................................................................................49
参考文献 .........................................................................................................................51
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................54
致 谢 .............................................................................................................................55
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的背景和意义
随着经济和社会的不断发展，能源作为人类社会存在和发展的重要物质基础，
其需求也在日益增加。煤炭、石油和天然气等化石燃料的紧缺不仅无法满足经济
和社会发展的需要，而且大量使用化石燃料所产生的对环境的污染和破坏已经严
重威胁到人类的生存。人类解决生存问题的战略选择之一是开发和利用可再生能
源，改善能源结构[1]。其中风能资源是不会枯竭的循环资源，是洁净、无污染、
环保的清洁能源；风能资源不消耗自然资源、开发利用方便简单。风电场一般建
设在无人居住地区和海岸，占地面积少，对环境影响和要求低。而且风电场的建
设周期极短，运行和监控全自动化，无需额外人员维护，节省了人力资源。而且
风力发电有多种发电方式，既可和其他发电机组等形成互补系统，也可并网发电
或离网独立运行。风力发电是解决贫困偏远地区居民用电问题非常可行的方案[2]，
因此受到世界各地的普遍重视，装机容量逐年增长。
直驱型风力发电系统采用风力机直接驱动低速多极的永磁同步发电机发电，
通过功率变换电路将电能转换之后并入电网。转速较低时，由于永磁同步发电机
定子结构采用较多的极对数，因此其定子电压输出频率仍然比较高。且风机与同
步发电机直接耦合，省去了双馈风力发电系统中的国内难以自主生产且故障率较
高的齿轮箱这一部件。减少了发电机的成本和维护费用，具有重量轻、效率高、
可靠性好的优点，并且降低了噪音。直驱风力发电系统通过合适的变流电路并配
合先进的控制策略，可实现在额定风速以下自动跟踪最大功率和额定风速以上保
持额定功率以缓冲风机受到的机械冲击[3]。目前，随着永磁体性能提高和开关器
件成本不断下降，直驱风力发电系统在众多变速恒频风力发电系统中越来越具有
优势，成为最有发展前景的风力发电技术[4]。
§1.2 风电技术发展趋势
进入 21 世纪之后，随着现代电力电子技术的不断发展，全球风电技术发展主
要呈现如下特点[5]：
（1）风电机组单机容量增长迅速
20 年前，风电机组单机容量仅为 25kW。目前，MW 级风电机组已成为国内
外风电市场中的主流机型。 德国已经生产出 5MW 的机组，10MW 以上的机组正
永磁直驱风力发电机组并网变流器机侧控制技术的研究
2
在研发中[6]。我国大的风电机组制造企业的首台 5MW 风电机组已于 2010 年10
月12 日正式出产。与此同时，6MW 风电机组的研发工作也进展顺利，将于明年
上半年下线。未来海上机组的容量将更大。
（2）变桨变速更具发展优势
变桨距调节使风轮叶片的安装角随风速的变化而变化，能提供更好的输出功
率品质。变速运行方式能够最大限度的利用风能。通过控制发电机的转速，风力
发电机的叶尖速比能够接近最佳值，从而提高了风力发电机组的运行效率。变桨
变速是大型风力发电机的最佳选择。而且此功率调节方式具有叶片受力较小、安
全和高效等优点。从目前市场情况来看，变桨变速的功率调节方式将在风电机组
的控制中得到广泛的应用[7] 。仅在 2006 年，世界风机装机总量中就有 92%的风
力发电机组采用了变桨变速调节方式。
（3）直驱式风力发电市场份额迅速扩大
直驱式风力发电机和风力机直接耦合，变流器所需的容量较大，属于全功率
变流器，成本较高。但随着电力电子技术的发展，大功率电力电子变换器的出现
有效的满足了机组容量不断扩大的要求。目前市场上耐压值大于 1000V 的IGBT
主要规格有 1200V、1600V/1700V、3300V、6500V。直驱式风力发电机最大的优
势是省去了沉重的齿轮箱，捕捉风能的效率得到了提高，而且使用寿命长、运行
可靠。直驱式风力发电技术中的变流器能对电网的功率因数进行调节，很大程度
上拓宽了电机运行范围。直驱式风力发电机组在市场上占有份额越来越大。
§1.3 直驱风力发电系统典型变流方案
目前新装机的风电机组大都采用变速恒频风力发电系统，而变速恒频技术是
目前最先进的功率调节技术[7]。由于变速恒频风电机组的风能转换效率更高，能够
有效降低风电机组的运行噪声，具有更好的电能质量，这些因素都促成了变速恒
频技术成为当今风力发电机组的主流技术。变速恒频风力发电系统中的变流电路
主要是交直交变流电路。而目前市场上主流的变速恒频型风电机组技术分为双馈
式和直驱式两大类。针对本文风力发电系统直驱式的研究重点，下文以具体的拓
扑为依托，从变流角度对两种典型直驱式方案进行了介绍。
§1.3.1 不控整流+升压+逆变方案
最典型的直驱型风力发电系统主电路拓扑结构如图 1-1 所示。风力机与永磁
同步发电机直接连接，将风能转换为幅值、频率随风速不断变化的交流电，通过
二极管不控整流为直流电，然后直流电经过 Boost 电路升压后，再经过网侧的全
控逆变器变换为恒频恒压的三相交流电并网。主电路电力电子器件通过一定的控
摘要：
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摘要随着经济的高速发展，常规能源短缺、电能供用紧张问题日益突出，利用可再生能源如风能，对于缓解能源匮乏具有重要的意义。永磁直驱风力发电系统与其它的风力发电系统相比，具有效率较高、维护量少等优点。而变流器控制是风力发电系统的核心和技术难点，本文主要针对永磁直驱风力发电系统机侧变流器的控制进行了研究。首先介绍了直驱风力发电机组系统拓扑结构，并简述了系统的工作原理。在旋转坐标系下建立了双星型移相六相永磁同步电机数学模型。基于转子磁场定向的永磁同步电机的控制策略，设计了转速外环、电流内环的双闭环电机控制器参数，实现了六相永磁同步电机的矢量控制。为进一步降低系统成本和硬件电路的复杂性，本文还研究了永磁同...
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