在風(fēng)力發(fā)電中，發(fā)電機(jī)與變流控制系統(tǒng)是保障機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著風(fēng)電機(jī)組容量不斷增大和海上風(fēng)電的快速發(fā)展，直驅(qū)永磁同步變速恒頻系統(tǒng)因其突出優(yōu)勢(shì)，正獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本篇中我們基于 EasyGo 實(shí)時(shí)仿真器EGBox Mini，對(duì)直驅(qū)永磁同步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

一、直驅(qū)永磁同步變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)是一種將風(fēng)輪與多極低速永磁同步發(fā)電機(jī)直接耦合，無(wú)需齒輪箱的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。該系統(tǒng)因其高可靠性，特別適合應(yīng)用于海上風(fēng)電、惡劣環(huán)境以及大容量機(jī)組。

目前常見(jiàn)的直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)組主要采用全功率變流器拓?fù)?，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大體分為以下四種。

1、機(jī)側(cè)不控整流，網(wǎng)側(cè)PWM逆變

該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖。電機(jī)定子側(cè)接三相二極管整流橋進(jìn)行不控整流，直流側(cè)采用電感和電容進(jìn)行濾波，網(wǎng)側(cè)為 PWM 逆變器，把整流后直流側(cè)電能逆變成交流電，輸入電網(wǎng)。

其顯著缺點(diǎn)是發(fā)電機(jī)必須輸出較高的電壓以確保能量饋出，這抬高了器件耐壓要求與成本。同時(shí)，由于機(jī)側(cè)不可控，能量無(wú)法雙向流動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，且定子電流諧波大，導(dǎo)致電機(jī)損耗增加、效率降低。因此，該拓?fù)湓趯?shí)際中已很少采用。

2、機(jī)側(cè)不控整流+Boost升壓，網(wǎng)側(cè)PWM逆變

該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖。能量經(jīng)由不可控 AC/DC變流器到達(dá)直流側(cè)，由于風(fēng)速的變化，導(dǎo)致了直流側(cè)電壓的波動(dòng)，采用升壓變流器將DC/AC變流器直流母線側(cè)電壓穩(wěn)定控制，然后通過(guò)DC/AC變流器逆變并入網(wǎng)。

其缺點(diǎn)是系統(tǒng)無(wú)法四象限運(yùn)行；機(jī)側(cè)不控整流導(dǎo)致電流諧波大，影響電機(jī)效率和性能；且在大功率場(chǎng)合，Boost升壓電路的設(shè)計(jì)難度較高，運(yùn)行限制較大。但這種電路結(jié)構(gòu)的成本較低，因此在當(dāng)前直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電工程中仍有較多應(yīng)用。

3、機(jī)側(cè)采用相控整流，網(wǎng)側(cè)PWM逆變

該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖。該拓?fù)湓陔姍C(jī)定子側(cè)使用晶閘管相控整流電路進(jìn)行可控整流，后經(jīng)網(wǎng)側(cè) PWM逆變器并網(wǎng)。

與上兩種方式相比，它通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)角控制導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了機(jī)側(cè)一定程度的可控性，能抑制電流、防止直流母線過(guò)壓，且成本較低。然而，其機(jī)側(cè)電流低次諧波較大的根本問(wèn)題并未改善，因此在實(shí)際系統(tǒng)中很少被采用。

4、背靠背雙PWW控制的功率變流器

該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖。該拓?fù)湓跈C(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)均采用全控型 PWM 變流器。

機(jī)側(cè) PWM 整流能大幅減少發(fā)電機(jī)定子電流諧波，顯著降低銅耗和鐵耗，并提供近乎正弦的電流波形。通過(guò)控制系統(tǒng)，可將風(fēng)機(jī)發(fā)出的變頻、變幅值電能高效轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的恒壓恒頻電能并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)精確的最大風(fēng)能追蹤。此方案技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越，是目前最主流且應(yīng)用最廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本篇中我們主要對(duì)“機(jī)側(cè)不控整流+Boost升壓拓?fù)洹钡闹彬?qū)永磁風(fēng)機(jī)并網(wǎng)拓?fù)溥M(jìn)行仿真。該拓?fù)湔w可分為機(jī)械部分、永磁同步發(fā)電機(jī)、不控整流電路、Boost電路及PWM逆變并網(wǎng)電路。

其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示：

機(jī)械部分通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角，使風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速下捕獲最大機(jī)械功率；不控整流電路將發(fā)電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電；Boost 電路負(fù)責(zé)升壓，并通過(guò)調(diào)節(jié)IGBT占空比實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤；PWM逆變器則控制并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，以實(shí)現(xiàn)高效并網(wǎng)。

二、離線仿真

本次實(shí)驗(yàn)中搭建基于機(jī)側(cè)不控整流+Boost升壓拓?fù)涞闹彬?qū)永磁風(fēng)機(jī)并網(wǎng)模型如圖所示。上方為主拓?fù)洳糠?，下方為控制策略以及觀測(cè)窗口，直驅(qū)永磁發(fā)電電機(jī)經(jīng)整流、Boost電路升壓、逆變后接入380V交流電網(wǎng)。

其中，Boost升壓電路采用基于擾動(dòng)觀察法的最大功率點(diǎn)跟蹤模式，通過(guò)比較前后功率變化來(lái)搜尋最佳工作點(diǎn)；并網(wǎng)逆變器采用電壓電流雙閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并網(wǎng)。

電機(jī)參數(shù)設(shè)置為：定子電阻 Rs = 0.01Ω，電樞電感L = 0.835mH，磁鏈Ψ = 0.57 Wb，極對(duì)數(shù)P = 8。

并網(wǎng)控制外環(huán)為直流電壓環(huán)和無(wú)功環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。直流電壓給定值為500V，同時(shí)為使并網(wǎng)的功率因數(shù)最高，一般直接將無(wú)功電流參考值給定為0。

運(yùn)行模型，給定風(fēng)速為變化的風(fēng)速，0-1s為13.5m/s，1-2s為14.6m/s，2-3s為15.5m/s，3-4s為14m/s。

0.05s時(shí)啟動(dòng)永磁同步電機(jī)控制，0.1s時(shí)啟動(dòng)逆變器控制。仿真結(jié)果如圖：

從波形可知：風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，并網(wǎng)點(diǎn)的功率和電流隨風(fēng)速變化，且并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓在逆變器啟動(dòng)后穩(wěn)定在 500V。

三、EasyGo實(shí)時(shí)仿真

EGBox Mini產(chǎn)品系列是基于CPU+FPGA硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)的一體式緊湊型實(shí)時(shí)仿真產(chǎn)品，屬于EGBox系列實(shí)時(shí)仿真器的入門(mén)級(jí)產(chǎn)品。其不同型號(hào)可完成硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)（HIL）或者快速控制原型系統(tǒng)（RCP）。將控制模型和拓?fù)淠Ｐ头謩e通過(guò)仿真上位機(jī)部署進(jìn)兩個(gè)實(shí)時(shí)仿真器（EGBox Mini），整體架構(gòu)如下圖所示：

與離線模型一致，將直流電壓設(shè)置為500V，轉(zhuǎn)矩設(shè)置為15N*m。啟動(dòng)永磁同步電機(jī)控制和逆變器控制。

可以觀察到：并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓在逆變器啟動(dòng)后穩(wěn)定在 500V，與離線結(jié)果相同。

直驅(qū)永磁同步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真就分享到這里了，歡迎感興趣的工程師們留言溝通。