以永磁直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，針對其變流器結構和控制策略進行了研究。通過選擇最優(yōu)雙PWM“背靠背”變流拓撲結構，并采用直接功率控制策略進一步提高了風力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)性能。建立了輸出功率為10 kW的并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型，驗證控制策略的正確性。結果表明，基于直接功率控制策略的“背靠背”變流拓撲具有結構合理、控制策略新穎的優(yōu)點，在保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定的同時，電網(wǎng)電流諧波畸變率低、波形良好，能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，滿足并網(wǎng)要求。

風能作為資源豐富的清潔能源使風力發(fā)電占據(jù)了重要地位，由于減少齒輪箱結構能夠提高系統(tǒng)的可靠性，目前風電領域普遍選用永磁直驅(qū)型同步風力發(fā)電系統(tǒng)。為使機側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器能夠獨立控制，從而實現(xiàn)更多的功能和增強通用性，采用雙PWM“背靠背”變流拓撲結構。風力發(fā)電系統(tǒng)的變流器主要指機側(cè)的整流器和網(wǎng)側(cè)的逆變器，通過對機側(cè)整流器的控制來提高風能利用率，并且使輸出的直流電壓保持在恒定值;通過對網(wǎng)側(cè)逆變器的控制來實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，輸出穩(wěn)定的高質(zhì)量電能，從而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為滿足風電并網(wǎng)要求和提高整機的工作效率，其控制技術和策略成為主要研究方向。

隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，新型的控制策略得以不斷涌現(xiàn)，其中的直接功率控制技術(DPC)將交流側(cè)瞬時有功、無功功率作為被控制量直接進行功率的閉環(huán)控制，相比矢量控制技術，無需復雜的坐標變換，算法和系統(tǒng)結構簡單，并且可實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)，具有良好的動態(tài)性能，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/span>

1 變流器的拓撲結構和數(shù)學模型

雙PWM“背靠背”全功率變流結構如圖1所示，系統(tǒng)采用兩個PWM變流器，該系統(tǒng)雖然結構復雜且需要的IGBT數(shù)量多，但具有較強的通用性，并且機側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器的控制方法、電路設計相似。由于機側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器由中間電容鏈接，彼此的控制是分離、獨立的，所以中間環(huán)節(jié)可以被認為是一個穩(wěn)定的直流電壓源。通過對機側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器的控制使風電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能高質(zhì)量地并入電網(wǎng)中。

風電系統(tǒng)的變流器主要指機側(cè)的整流器和網(wǎng)側(cè)的逆變器，實質(zhì)上，整流器和逆變器在電路結構和原理上是相同的，它既可以運行于整流模式，也可運行于有源逆變模式，當運行于整流模式時，是將永磁同步發(fā)電機產(chǎn)生的交流電變?yōu)橹绷麟?，當網(wǎng)側(cè)逆變器運行于逆變模式時將電能向電網(wǎng)側(cè)輸送。三相電壓型PWM變流器的主電路結構如圖2所示。

為簡化分析，通常假設電網(wǎng)電動勢是正弦波且三相平穩(wěn)，網(wǎng)側(cè)濾波電感線性各相的數(shù)值都相等，開關管為無導通損耗的理想開關。電網(wǎng)三相電動勢記作ea、eb、ec;電網(wǎng)三相輸出電流記作ia、ib、ic，L為濾波電感;等效電阻的總值記為R;C是直流側(cè)的電容;udc是直流側(cè)的電壓值。為方便分析開關狀態(tài)，用Sa、Sb、Sc分別表示逆變器的3個橋臂;上橋臂導通下橋臂關斷用“1”表示，反之用“0”表示。在兩相靜止αβ坐標系中，網(wǎng)側(cè)電動勢表示為eα、eβ;交流電流值表示為iα、iβ;開關函數(shù)表示為Sα、Sβ。

兩相靜止αβ坐標系下的三相電壓型PWM變流器數(shù)學模型的方程可描述為

2 直接功率控制策略

為更好地提高風能利用率，優(yōu)化并網(wǎng)的性能，機側(cè)整流器和網(wǎng)側(cè)逆變器都采用了直接功率控制策略。直接功率控制(DPC)通過實時對電網(wǎng)電壓和電流檢測，并將瞬時有功、無功功率值計算出來，然后通過與給定的有功功率和無功功率值比較，從而達到將瞬時功率控制在允許的范圍內(nèi)，進而實現(xiàn)把瞬時有功、無功電流控制在允許范圍內(nèi)。

2.1 直接功率控制策略原理

電壓定向直接功率控制系統(tǒng)通過查找開關表來控制變流器，雙環(huán)控制系統(tǒng)里的功率內(nèi)環(huán)是用于對有功、無功功率進行直接控制，而直流電壓外環(huán)的作用是為了穩(wěn)定直流側(cè)的電壓，具體原理如圖3所示。

(1)使用交流電壓、電流傳感器測得相電壓ea、eb、ec和相電流ia、ib、ic，通過計算得出瞬時有功、無功功率p和q，同時將相電壓轉(zhuǎn)化成兩相靜止坐標系中的eα、eβ計算出扇區(qū)信號θn。

(2)直流側(cè)通過電壓閉環(huán)控制使直流母線電壓跟蹤指令值，并將直流母線電壓誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)的輸出與直流母線電壓的乘積作為瞬時有功功率的給定值pref無功功率給定值qref設定為0。

(3)將p與pref進行做差比較得到的差值送入有功功率滯環(huán)比較器，再將q和qref的差值送入無功功率滯環(huán)比較器中，滯環(huán)比較器的輸出就是狀態(tài)信號Sp、Sq的值。

(4)根據(jù)Sp、Sq、θn進行矢量開關表的查找來選擇所需的Sa、bS、Sc，用于驅(qū)動主電路的開關管。

2.2 直接功率控制策略實現(xiàn)過程

(1)瞬時功率計算。采用兩相靜止αβ坐標系下的數(shù)學模型，將檢測到的三相電壓ea、eb、ec和電流ia、ib、ic，經(jīng)過C3s/2s矩陣變換得到eα、eβ和iα、iβ，計算出瞬時有功、無功功率。

(2)交流電壓矢量扇區(qū)劃分。為了確定電壓矢量位于哪個扇區(qū)內(nèi)，需要對扇區(qū)進行劃分，這里采用將αβ平面扇區(qū)均勻地分為12個相等的部分，依次是θ1～θ12具體位置如圖4所示，相角范圍θn可以由式(2)確定