摘 要: 對(duì)直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組交錯(cuò)并聯(lián)斬波器的控制和設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了較為深入的分析，首先得出了基于最大功率跟蹤（MPPT）算法的斬波器輸入電流指令解析表達(dá)式；其次給出了N重交錯(cuò)并聯(lián)升壓斬波器紋波電流的統(tǒng)一表達(dá)式，并基于此得到了濾波電感的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；最后對(duì)1.2MW直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電全功率并網(wǎng)變流機(jī)組進(jìn)行了全面的仿真,仿真結(jié)果驗(yàn)證了文中提出的控制和設(shè)計(jì)方案的正確性,具有一定的實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞： 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電 永磁同步發(fā)電機(jī) 交錯(cuò)并聯(lián)升壓斬波器 紋波分析 1 引言 目前主流的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流系統(tǒng)有基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）的雙饋型機(jī)組和基于永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）的直驅(qū)型機(jī)組兩種。和雙饋機(jī)組相比，直驅(qū)型機(jī)組能省去齒輪箱，同時(shí)能避免發(fā)電機(jī)滑環(huán)和電刷，從而具有效率提高、維護(hù)量降低、可靠性提高等一系列優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1a所示。 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器分為網(wǎng)側(cè)變流器和發(fā)電機(jī)側(cè)變流器兩部分。網(wǎng)側(cè)變流器多采用三相電壓型PWM整流器電路，用于實(shí)現(xiàn)能量的單位功率因數(shù)并網(wǎng)，在需要時(shí)還可對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功調(diào)節(jié)；發(fā)電機(jī)側(cè)變流器則一方面經(jīng)發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁功率，一方面根據(jù)風(fēng)速變化調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大功率跟蹤。主要有不控整流加升壓斬波電路（被動(dòng)整流）和三相電壓型逆變器電路（主動(dòng)整流）兩種拓?fù)洹１M管被動(dòng)整流拓?fù)浜椭鲃?dòng)整流相比，存在發(fā)電機(jī)定子電流低次諧波含量大，發(fā)電機(jī)內(nèi)部功率因數(shù)不高等缺點(diǎn)，但它成本較低，控制上相對(duì)簡單可靠，同時(shí)能避免主動(dòng)整流拓?fù)浯嬖诘?問題對(duì)發(fā)電機(jī)造成的負(fù)面效應(yīng)，因此目前仍有較廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)[3-4]。系統(tǒng)主電路如圖1b所示。 被動(dòng)整流拓?fù)湫阅艿暮脡?，與其中升壓斬波器的控制密切相關(guān)。在兆瓦級(jí)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組中，斬波器一般通過控制輸入電流來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī) [align=center] 圖1 直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)變流系統(tǒng)[/align] 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。因此輸入電流指令的計(jì)算對(duì)于準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)MPPT至關(guān)重要。這一方面目前已有許多研究成果，如采用爬山法及其改進(jìn)方法得到電流指令[5]，或利用輸入電流與不控整流電壓之間的簡化數(shù)學(xué)關(guān)系得到電流指令[6]等，但都缺乏對(duì)被動(dòng)整流拓?fù)浔旧砉ぷ魈匦缘纳钊敕治?。另一方面，為增加輸出功率，減小總電流紋波，斬波器常采用多重交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)[7-8]。并聯(lián)重?cái)?shù)不同或占空比不同時(shí)，電流紋波幅值都將發(fā)生變化，使輸入濾波電感設(shè)計(jì)變得十分繁瑣。 基于以上考慮，本文首先深入分析了被動(dòng)整流拓?fù)鋬?nèi)部的數(shù)學(xué)關(guān)系，給出了基于MPPT算法的輸入電流指令解析表達(dá)式，為斬波器的電流跟蹤控制提供依據(jù)；其次，本文推導(dǎo)得出了N重交錯(cuò)并聯(lián)升壓斬波器總電流紋波統(tǒng)一表達(dá)式，并基于此得到了輸入濾波電感的計(jì)算公式，很大程度上簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程；最后，本文建立了基于Matlab7.3的1.2MW直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電全功率并網(wǎng)變流機(jī)組仿真模型，給出了系統(tǒng)各主要變量的仿真波形，對(duì)上述控制和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。 2.電流控制策略 由圖1b可知，斬波器輸入電壓U[sub]r[/sub]由不控整流決定，輸出電壓U[sub]dc[/sub]由網(wǎng)側(cè)變流器恒定，因此斬波器通過控制輸入電流I[sub]r[/sub]實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。 2.1風(fēng)能最大功率跟蹤原理[9] 風(fēng)機(jī)的輸入功率滿足貝茲原理 當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)額定后，隨著風(fēng)速的增加，轉(zhuǎn)速恒定，葉尖速比下降，功率系數(shù)減少，但風(fēng)機(jī)輸出功率繼續(xù)增大。直至風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速后，風(fēng)機(jī)輸出功率達(dá)到額定值。 2.2 輸入電流指令的計(jì)算 令永磁同步發(fā)電機(jī)每相空載電勢(shì)為E，端電壓為U[sub]s[/sub]，相電流為I[sub]s[/sub]（均指基波分量，下同），X[sub]d[/sub]、X[sub]q[/sub]分別為直、交流同步電抗?？紤]到發(fā)電機(jī)輸出接二極管整流電路，因此電流矢量將與端電壓矢量對(duì)齊。忽略發(fā)電機(jī)內(nèi)阻，可得發(fā)電工況矢量圖如圖所示。 [align=center] [/align] P[sub]omax[/sub]為被動(dòng)整流拓?fù)湓谝欢ㄞD(zhuǎn)速下的輸出有功功率極限。該值的物理意義可解釋如下：由于電機(jī)輸出電流與端電壓同向，因此在ω[sub]e[/sub]一定，I[sub]r[/sub]變化時(shí)，圖3b中A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為以空載電勢(shì)矢量為直徑的半圓，隨著 I[sub]r[/sub]增大，A點(diǎn)順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，δ角增大，發(fā)電機(jī)底內(nèi)部功率因數(shù)逐漸降低。當(dāng) δ=45[sub]。[/sub]時(shí)，有功輸出達(dá)到最大，此后電流再增大，發(fā)電機(jī)底功率因數(shù)進(jìn)一步降低，無功占主要成分，有功輸出反而降低。 3.電流紋波分析和電感設(shè)計(jì) 3.1電流紋波分析 單重升壓斬波拓?fù)洹㈦姼须娏鞑ㄐ渭凹y波表達(dá)式如下，其中D為占空比，T[sub]s[/sub]為開關(guān)周期。 采用兩重交錯(cuò)并聯(lián)，脈沖互錯(cuò)180[sup]。[/sup]，則電流疊加可根據(jù)占空比的所屬范圍分為兩種情況。認(rèn)為兩路濾波電感相等，經(jīng)整理可得總電流紋波表達(dá)式如式（14）所示。 [align=center] [/align] 觀察式（13） ～ （15），不難發(fā)現(xiàn)紋波電流表達(dá)式均滿足如下規(guī)律：隨著占空比和并聯(lián)重?cái)?shù)的變化，紋波電流中的不變項(xiàng)為u[sub]1[/sub]T[sub]s[/sub]/L，變化部分的分母包含1-D，分子包含占空比到所屬區(qū)間兩端點(diǎn)距離的乘積，再乘以交錯(cuò)并聯(lián)的重?cái)?shù)。由此，可推出N重交錯(cuò)并聯(lián)后總電流紋波的統(tǒng)一表達(dá)式如下，為濾波電感的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 3.2濾波電感設(shè)計(jì) 濾波電感的設(shè)計(jì)以三重交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)錇槔M(jìn)行分析。穩(wěn)態(tài)占空比滿足關(guān)系D=1-u[sub]r[/sub]/u[sub]dc[/sub] 。將其代入式（15）中，整理配方，可得電流紋波與輸入輸出電壓的關(guān)系 式中，U[sub]dc[/sub]被網(wǎng)側(cè)變流器恒定。因此，隨著 的變化，紋波電流的變化規(guī)律如圖6所示。由圖可知，當(dāng)輸入電壓為輸出電壓的1/3或2/3時(shí)，總電流紋波可以完全抵消，若兩者的對(duì)應(yīng) 4 系統(tǒng)仿真 為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)和控制方法，本文搭建了基于Matlab7.1的1.2MW直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電全功率并網(wǎng)變流機(jī)組仿真模型，如圖7所示。其中，發(fā)電機(jī)側(cè)變流器采用被動(dòng)整流拓?fù)?，升壓斬波器采用三重交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)側(cè)變流器采用電壓定向控制[11]。主要電路參數(shù)均在表1中列出。 [align=center] 圖7 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)全功率并網(wǎng)變流器機(jī)組仿真模型 表1 1.2MW直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組主要電路參數(shù)列表 [/align] 圖8為風(fēng)速變化時(shí)的機(jī)組主要變量波形。其中，圖8a為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)波形，圖8b為相應(yīng)的斬波器輸入電流波形?？梢?，隨著風(fēng)速的變化，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之改變，以保證最優(yōu)葉尖速比，說明發(fā)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)即斬波器輸入電流的調(diào)節(jié)正確有效。圖8c為中間直流電壓波形，穩(wěn)態(tài)時(shí)直流電壓恒定在1100V。圖8d為額定功率時(shí)網(wǎng)側(cè)a相電壓與電流波形，并網(wǎng)電流總諧波畸變3.69%，功率因數(shù)接近1。 由表1可知，斬波器濾波電感取0.37mH，開關(guān)頻率取2kHz，由式（1）、式（6）、式（12）可知風(fēng)速為8m/s時(shí)的電流指令為57.9A，U[sub]r[/sub]為78.5V。將以上參量代入式（16），可得此時(shí)單重電流紋波波幅值為30.4A，脈動(dòng)頻率為2kHz；總電流紋波幅值為61A，脈動(dòng)頻率為6kHz。為驗(yàn)證該計(jì)算結(jié)果，圖9分別給出了此時(shí)不控整流電壓、單重電流和總電流波形。不難發(fā)現(xiàn)，紋波實(shí)際值與計(jì)算值吻合得很好，證明了計(jì)算公式的正確性。 [align=center] [/align] 5結(jié)束語 本文對(duì)直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組交錯(cuò)并聯(lián)斬波器的控制和設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了較為深入的分析研究?？偟膩砜矗椭鲃?dòng)整流相比，被動(dòng)整流拓?fù)湓诳刂粕陷^為簡單；要輸出同樣的有功功率，被動(dòng)整流拓?fù)浒l(fā)電機(jī)定子電流較大，但端電壓較低，同時(shí)也不存在逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的du/dt 問題；不過被動(dòng)整流拓?fù)浔旧泶嬖谟泄β瘦敵鰳O限，這一點(diǎn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)尤為注意；另外，采用交錯(cuò)并聯(lián)斬波電路后，盡管減少了電流紋波，但系統(tǒng)成本也將相應(yīng)提高。 參考文獻(xiàn) [1] Kazmierkowski M P, Krishnan R, Blaabjerg F. Control in power electronics: selected problems[M]. USA: Academic Press,2002. [2] Hansen A D, Lov F, Blaabjerg F, et al. Review of contemporary wind turbine concepts and their marked penetration[J]. Wind energy, 2004,28（3）:247-263. [3] Chen Z, Spooner E. Grid interface options for variable-speed , permanent-magnet generator[J].IEE Proceedings-Electric Power Application, 1998,45 （4）:273-283. [4] Chinchilla M, Arnaltes S, Burgos J C. Control of permanent-magnet generators applied to variable - speed wind-energy systems connected to the grid [J] .IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006,21（1）:130-135. [5] 王生鐵,張潤和,田立欣.小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率控制擾動(dòng)法及狀態(tài)平均建模與分析[J].太陽能學(xué)報(bào),2006,27（8）:828-834. [6] Seung-Ho Song, Sung-Ju Kim, Nyon-Kun Hahm. Implementation and control of grid connected AC-DC-AC power converter for variable speed wind energy conversion system[C].18th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition,2003,1:154-158. [7] Yang C W , Liang H, Jiang J C. Modeling and simulation of AC-DC-AC converter system for MW-level direct-drive wind turbine grid interface [C].IEEE Power Electronics Specialists Conference,2006:1-4. [8] Xiong Xin ,Liang Hui. Research on multiple boost converter based on MW-level wind energy conversion system[C].Proceeding of the 8th International Conference on Electrical Machines and Systems ,2005,2:1046-1049. [9] Datta Rajib ,Ranganathan V T. A method of tracking the peak power points for a variable speed wind energy conversion system[J].IEEE Transactions on Energy Conversion, 2003, 18.（1）: 163-168. [10] 王正同,羅乾超,刁元均. DC/DC變換器交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)研究[J].通信電源技術(shù),2006,23（5）:3-4. [11] Chen Yao , Jin Xinmin .Modeling and control of three-phase voltage source PWM rectifier [C] .CES/IEEE 5th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2006,3:1459-1462. [12] Heier S Grid integration of wind energy conversion systems [M].UK: John Wiley and sons Ltd, 1998. [align=center]Design and control of Parallel Interleaving boost chopper in Directly-Drive Wind Power Generation System YANG Guo-liang LI Hui-guang （College of Electrical Engineering , Yanshan University , Qinhuangdao 066004 , China ）[/align] 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 作者簡介： 楊國良 （1973-），男，吉林省公主嶺人，博士研究生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代控制理論在電力電子技術(shù)及分布式發(fā)電上的應(yīng)用。 李惠光（1947-），男，齊齊哈爾市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)椴蓸永碚?、機(jī)器人視覺、分布式發(fā)電及可再生能源等。