关键词：风力发电；永磁直驱；网侧逆变器
Abstract: In this chapter, we first mathematically model the grid-side inverter, and then put forward the strategy of decoupling control of active power and reactive power on the basis of it. The method of software phase-locked loop, IGBT switching devices for the two-way switch, so the grid-side inverter in addition to working in the inverter state can also work in the rectifier state, to achieve four-quadrant operation.
Key words: Wind power; Permanent magnet direct drive; Grid-side inverter
1 引言
网侧逆变器主要负责稳定直流母线电压，跟踪并网电压相角，使永磁同步风力发电机发出的电能通过背靠背式PWM变流器稳定地向电网输送，本文介绍的网侧逆变器控制策略对有功功率和无功功率进行解耦控制，可以灵活的控制并网的有功功率和无功功率，即可对输出电能的功率因数实现灵活控制。
2 风力发电逆变器拓扑结构
    不可控整流器具有非线性特性，使整流器输入侧电流波形畸变，因此采用PWM整流技术，将频率和幅值变化的交流电整流成恒定直流。此时PWM整流器可以同时实现整流和Boost电路的升压作用。PWM整流器通过解耦控制，可以实现发电机的单位功率因数输出。通过矢量控制技术来控制发电机在不同运行环境下，可以实现发电机最大转矩、最大效率、最小损耗控制。可见整个发电系统控制方法灵活，可以有针对性地提高系统的运行特性。这种拓扑结构可以大幅度提高系统性能，随着开关器件IGBT的价格下降，这种拓扑结构正逐步进入市场。本文也主要针对这种拓扑结构进行研究。图1所示的PWM整流器后接电压源型PWM逆变器型拓扑结构。









5 网侧变流器三相锁相环相角估计
网侧控制策略满足了有功功率和无功功率解耦控制，在控制策略中需要用到坐标变换，由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的过程中需要用到电网电压的相位角，这就要求快速而准确地获得电网电压相位角，这是保证整个系统具有良好性能的前提。因为电网相位角固定频率，一般采用锁相环获得电网电压的相位角，因此设计优良的锁相环可以对系统的性能有很大的提高。
获得电网电压相位角的一般途径是先产生一个与电网电压同步的信号，再通过同步信号获得相位角。产生同步信号的方法有很多，最简单方法是用电网电压作为同步信号，但这种方法会因电网电压波形失真而导致系统输出电压和电流的畸变，甚至影响系统的稳定性，因此不宜采用此方法。一般采用锁相环来获得电网电压的相位角。
锁相环一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及分频器组成，其结构框图如图4所示。其基本原理是实现跟踪，用实际电网电压的相位角和反馈的相位角偏差值，经鉴相器变换成电压信号，然后再经过环路滤波器对信号进行滤波，最后送入压控振荡器，该表系统内部同步信号的频率，直到输出相位角与电网电压相位一致。








整个系统实验中先启动网侧控制程序，再启动机侧控制程序，然后断开直流负载，完成机侧和网侧变流器能量交换，实验波形如图8所示。图8中直流母线电压稳定在600V，完全达到最低母线电压要求，网侧电压检测通过一个小变压器，连接到调压器三相输出端，小变压器的副边接地端共地，用来观测相电压，变比为600:8，由于小变压器的效果不是很好，所以采回来的电压信号毛刺严重，实际中电网侧可以看做无穷大系统，若直接采集线电压，效果良好，但看不出相电压和相电流的相位关系，这里 轴电流给定为0，进行单位功率因数发电。电流探头选择20mV/A的档位。从图8中也可以看出电机侧变流器电流控制良好。从满功率运行状态中，改变拖动的三相异步电机转速从而降低永磁同步发电机的转速，使输出功率降低，波形如图9所示。




7 结论
    本章对永磁直驱风力发电系统网侧变流器的控制策略进行了分析和研究。首先建立了网侧变流器的两相旋转d-q轴系下的数学模型，在此数学模型的基础上对网侧变流器解耦控制进行了研究，并给出了电网电压定向的矢量控制策略，详细描述了电流环解耦补偿的控制方法。其次，对于系统性能影响较大的电网电压相位角的估计给出了一种软件锁相环的控制策略，利用计算能力非常强的DSP处理器可以精确地对电网电压相位角进行跟踪，在实验中得到了良好的控制效果。整个控制策略达到了网侧变流器的控制目标。网侧变流器对母线电压进行控制，使母线电压保持恒定，对交流侧输出电流也进行解耦控制，可灵活控制有功功率和无功功率，保证网侧变流器在单位功率因数下运行。
参考文献
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作者简介
李慧鹏  （1982 -） 工程师 研究方向为电力电气结构与控制