直驱型风力发电系统交错并联升压斩波器的设计与控制研究

摘 要: 对直驱型风电机组交错并联斩波器的控制和设计中的关键问题进行了较为深入的分析，首先得出了基于最大功率跟踪（MPPT）算法的斩波器输入电流指令解析表达式；其次给出了N重交错并联升压斩波器纹波电流的统一表达式，并基于此得到了滤波电感的设计准则；最后对1.2MW直驱型风力发电全功率并网变流机组进行了全面的仿真,仿真结果验证了文中提出的控制和设计方案的正确性,具有一定的实用价值。
关键词： 直驱型风力发电  永磁同步发电机 交错并联升压斩波器 纹波分析
 
1 引言

     目前主流的变速恒频风力发电并网变流系统有基于双馈感应发电机（DFIG）的双馈型机组和基于永磁同步发电机（PMSG）的直驱型机组两种。和双馈机组相比，直驱型机组能省去齿轮箱，同时能避免发电机滑环和电刷，从而具有效率提高、维护量降低、可靠性提高等一系列优点，具有广阔的应用前景[1-2]，其拓扑结构如图1a所示。

     直驱型风力发电并网变流器分为网侧变流器和发电机侧变流器两部分。网侧变流器多采用三相电压型PWM整流器电路，用于实现能量的单位功率因数并网，在需要时还可对电网进行无功调节；发电机侧变流器则一方面经发电机提供励磁功率，一方面根据风速变化调节发电机转速，实现风能的最大功率跟踪。主要有不控整流加升压斩波电路（被动整流）和三相电压型逆变器电路（主动整流）两种拓扑。尽管被动整流拓扑和主动整流相比，存在发电机定子电流低次谐波含量大，发电机内部功率因数不高等缺点，但它成本较低，控制上相对简单可靠，同时能避免主动整流拓扑存在的 问题对发电机造成的负面效应，因此目前仍有较广泛的应用市场[3-4]。系统主电路如图1b所示。

    被动整流拓扑性能的好坏，与其中升压斩波器的控制密切相关。在兆瓦级直驱风电机组中，斩波器一般通过控制输入电流来实现对发电机

    负载转矩的调节。因此输入电流指令的计算对于准确实现MPPT至关重要。这一方面目前已有许多研究成果，如采用爬山法及其改进方法得到电流指令[5]，或利用输入电流与不控整流电压之间的简化数学关系得到电流指令[6]等，但都缺乏对被动整流拓扑本身工作特性的深入分析。另一方面，为增加输出功率，减小总电流纹波，斩波器常采用多重交错并联结构[7-8]。并联重数不同或占空比不同时，电流纹波幅值都将发生变化，使输入滤波电感设计变得十分繁琐。

    基于以上考虑，本文首先深入分析了被动整流拓扑内部的数学关系，给出了基于MPPT算法的输入电流指令解析表达式，为斩波器的电流跟踪控制提供依据；其次，本文推导得出了N重交错并联升压斩波器总电流纹波统一表达式，并基于此得到了输入滤波电感的计算公式，很大程度上简化了系统设计过程；最后，本文建立了基于Matlab7.3的1.2MW直驱型风力发电全功率并网变流机组仿真模型，给出了系统各主要变量的仿真波形，对上述控制和设计方案进行了验证。

2.电流控制策略

    由图1b可知，斩波器输入电压U_r由不控整流决定，输出电压U_dc由网侧变流器恒定，因此斩波器通过控制输入电流I_r实现最大功率跟踪。

2.1风能最大功率跟踪原理[9]

    风机的输入功率满足贝兹原理

    当发电机转速到达额定后，随着风速的增加，转速恒定，叶尖速比下降，功率系数减少，但风机输出功率继续增大。直至风速达到额定风速后，风机输出功率达到额定值。

2.2 输入电流指令的计算

   令永磁同步发电机每相空载电势为E，端电压为U_s，相电流为I_s（均指基波分量，下同），X_d、X_q分别为直、交流同步电抗。考虑到发电机输出接二极管整流电路，因此电流矢量将与端电压矢量对齐。忽略发电机内阻，可得发电工况矢量图如图所示。

 
    P_omax为被动整流拓扑在一定转速下的输出有功功率极限。该值的物理意义可解释如下：由于电机输出电流与端电压同向，因此在ω_e一定，I_r变化时，图3b中A点的运动轨迹为以空载电势矢量为直径的半圆，随着 I_r增大，A点顺时针运动，δ角增大，发电机底内部功率因数逐渐降低。当 δ=45_。时，有功输出达到最大，此后电流再增大，发电机底功率因数进一步降低，无功占主要成分，有功输出反而降低。

3.电流纹波分析和电感设计
 
3.1电流纹波分析

   单重升压斩波拓扑、电感电流波形及纹波表达式如下，其中D为占空比，T_s为开关周期。 

    采用两重交错并联，脉冲互错180^。，则电流叠加可根据占空比的所属范围分为两种情况。认为两路滤波电感相等，经整理可得总电流纹波表达式如式（14）所示。

    

   观察式（13） ～ （15），不难发现纹波电流表达式均满足如下规律：随着占空比和并联重数的变化，纹波电流中的不变项为u₁T_s/L，变化部分的分母包含1-D，分子包含占空比到所属区间两端点距离的乘积，再乘以交错并联的重数。由此，可推出N重交错并联后总电流纹波的统一表达式如下，为滤波电感的设计提供依据。
     

3.2滤波电感设计

    滤波电感的设计以三重交错并联拓扑为例进行分析。稳态占空比满足关系D=1-u_r/u_dc 。将其代入式（15）中，整理配方，可得电流纹波与输入输出电压的关系
    
    式中，U_dc被网侧变流器恒定。因此，随着 的变化，纹波电流的变化规律如图6所示。由图可知，当输入电压为输出电压的1/3或2/3时，总电流纹波可以完全抵消，若两者的对应 

 

4 系统仿真

    为了验证上述设计和控制方法，本文搭建了基于Matlab7.1的1.2MW直驱型风力发电全功率并网变流机组仿真模型，如图7所示。其中，发电机侧变流器采用被动整流拓扑，升压斩波器采用三重交错并联结构；网侧变流器采用电压定向控制[11]。主要电路参数均在表1中列出。

    图8为风速变化时的机组主要变量波形。其中，图8a为发电机转速的对应波形，图8b为相应的斩波器输入电流波形。可见，随着风速的变化，发电机转速随之改变，以保证最优叶尖速比，说明发电机负载转矩的调节即斩波器输入电流的调节正确有效。图8c为中间直流电压波形，稳态时直流电压恒定在1100V。图8d为额定功率时网侧a相电压与电流波形，并网电流总谐波畸变3.69%，功率因数接近1。

    由表1可知，斩波器滤波电感取0.37mH，开关频率取2kHz，由式（1）、式（6）、式（12）可知风速为8m/s时的电流指令为57.9A，U_r为78.5V。将以上参量代入式（16），可得此时单重电流纹波波幅值为30.4A，脉动频率为2kHz；总电流纹波幅值为61A，脉动频率为6kHz。为验证该计算结果，图9分别给出了此时不控整流电压、单重电流和总电流波形。不难发现，纹波实际值与计算值吻合得很好，证明了计算公式的正确性。

5结束语

    本文对直驱型风电机组交错并联斩波器的控制和设计中的关键问题进行了较为深入的分析研究。总的来看，和主动整流相比，被动整流拓扑在控制上较为简单；要输出同样的有功功率，被动整流拓扑发电机定子电流较大，但端电压较低，同时也不存在逆变器驱动电机的du/dt 问题；不过被动整流拓扑本身存在有功功率输出极限，这一点在系统设计时应尤为注意；另外，采用交错并联斩波电路后，尽管减少了电流纹波，但系统成本也将相应提高。

参考文献
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Abstract:  This paper profoundly analyse the key problem during the design and control of parallel interleaving boost chopper in directly-drive wind power generation system. First ,analytic expression of input current order based on MPPT algorithm is obtained ; secondary, uniform expression of ripples current in N parallel interleaving boost chopper is given ,and based on which the design criterion of the filter inductance is derived ; last , 1.2MW directly-drive wind power generation power interconnected converting unit is emulated , the results shows the utility and the trueness of the proposed control and design scheme.  
Key words: directly-drive wind power generation system; PMSG; parallel interleaving boost chopper; ripples analysis

作者简介：
杨国良  （1973-），男，吉林省公主岭人，博士研究生，主要研究方向为现代控制理论在电力电子技术及分布式发电上的应用。
李惠光（1947-），男，齐齐哈尔市人，教授，博士生导师，主要研究方向为采样理论、机器人视觉、分布式发电及可再生能源等。