1.引言
风力发电作为一种清洁的、可再生的新能源发电技术，受到了越来越多的重视。变速恒频风力发电相对于定转速风力发电而言具有更高的风能转换效率和并网电能质量，但是会受到高故障率和高维修成本的齿轮箱的困扰。永磁直驱同步发电由于其较高的能量转换效率和可靠性，以及省去了故障率高的升速齿轮箱而成为当前风电技术研究的热点[1]。
永磁同步电机在转子侧采用永磁材料，能提供恒定的气隙磁场，定子电流仅需要提供转矩分量，因此永磁同步电机能够工作在更高的功率因素下,减少了变流器容量。在直驱永磁发电系统中，一种较常见的拓扑结构是通过双PWM 变流器连接到电网，从而能对系统的全部并网功率进行控制，随着风力发电所占比例越来越大，考虑到风力机组低压跨失的能力，基于全功率变换器的直驱永磁风力发电相对于双馈风力发电将越来越受欢迎。永磁风力发电系统的性能不仅取决于永磁电机，而且取决于永磁同步发电系统的控制，相关文献[2]-[5]对永磁直驱风力发电技术进行了研究。
在文献[3]中，提出了一种通过二极管整流加斩波电路的永磁同步发电机控制策略，在这种控制方案中，电机侧的功率因素较低，谐波电流大，极大地影响发电机的效率，同时谐波电流将引起电机的转矩波动及机械磨损，降低了电机的寿命。在文献[4]中，提出了基于PI控制器的永磁直驱电机双PWM 控制策略，但未对变速恒频发电中比较重要的MPPT 算法进行实验研究。文献[5]对单相并网逆变器的PR控制策略进行了研究，研究表明PR 控制器相对于传统PI 控制器相比具有更好的抗扰性能。本文提出一种永磁直驱风力发电系统的控制方案，对其机、网侧变流器进行建模并提出相应的控制策略。对于并网电流谐波抑制问题，提出一种比例多谐振控制器的并网电流控制方案，同时简单介绍了模拟风机部分的实现方案，最后搭建实验平台，对整个风力发电系统进行了实验验证。
2.永磁直驱发电系统的分析及控制
图 1 描述了通过L 型电感滤波器并网的永磁直驱风力发电系统控制框图。系统分为三部分：模拟风机部分，永磁电机控制部分和并网控制部分。永磁电机和电网通过双PWM 全功率变换器连接，整流级和逆变级分别执行永磁电机控制和并网的功能，中间直流电容用于缓冲风速变化引起的功率波动以及为电机侧的PWM 整流和电网侧的PWM 逆变提供稳定的直流电压。模拟风机由三相异步电机实现，采用异步电机的矢量控制技术高精度的模拟风机特性。
2.1 永磁同步电机侧控制
三相永磁同步电机是个多变量、强耦合、非线性的复杂系统，要想对其进行直接控制比较的困难，为了对永磁同步电机进行解耦并控制其动态过程，以转子永磁体的中心线为D 轴，沿转子旋转方向超前90 度为Q 轴，对其电压、电流矢量进行坐标变换，在d、q坐标系下对其进行控制。图1 包含了电机侧的控制框图，由矢量控制、转子位置检测以及MPPT 算法组成。矢量控制部分内环是定子电流环，电流环的参数的设计基于转子磁链D 轴定向的永磁同步发电机模型，如下式所示[6]。
由上式可知，去掉交叉耦合项，电机的d、q轴的电流和机端电压之间是一阶惯性环节，故设计PI 调节器对电流环进行控制，电流环的主要作用是迅速跟随电流给定，PI 控制器的参数按典型Ⅰ型系统整定。矢量控制的外环是转速环,依据控制目的不同有最大转矩电流比控制，最小损耗控制，以及零d 轴电流控制等。零d 轴电流控制最显著的优点是能获得转矩和电流的线性关系，并且能避免控制策略引起的永磁体退磁。永磁电机产生电磁转矩公式如式(3)，采用零d 轴电流控制，转速环的输出作为q 轴电流环的给定，由于f ψ 为常数，所以转矩大小由q 轴电流唯一决定。
其中发电机的旋转速度rω ，由发电机电磁转矩e T ，风力机驱动转矩m T ，系统阻尼系数m B ，以及转动惯量J ，转子对数p 决定。其转速与转矩的关系也为一阶惯性环节，由于速度环主要考虑抗扰性能，按典型Ⅱ型系统进行设计，具体过程不再赘述。为了最大程度的获取风能，电机侧变流器还需要进行最大风能跟踪(MPPT),风力发电机的MPPT 算法有很多种，本文采用“爬山法”跟踪最大功率点，将永磁同步发电机当前的发电功率反馈给MPPT 控制器，与上一次的功率反馈值进行比较，来决定转速的扰动量Δω ，并与上次的转速给定值进行相加ω∗ + Δω ，作为当前速度环的参考转速。
2.2 网侧变流器控制
网侧变流器的主要目的是把永磁电机发出的电能送到电网中，保持中间直流电压的稳定并为电力系统的运行提供必要的无功功率[7]。对于L 型电感滤波的三相并网系统，与电网电压同步旋转的并网变流器d、q轴系下的系统模型为
如图1 所示，网侧变流器控制系统由电网电压的相位同步系统和由外环电压控制器与内环电流控制器组成的并网系统组成[8]。电流dg i 的给定值由无功参考值g Q 的给定值确定( dg g gq i∗ = Q∗ u )。电流qg i 的给定值是电压环的调节器的输出，保证直流电容的输入输出功率平衡，另外，电压调节器的输出需要限幅，以保证输出功率不超过逆变器的额定容量。网侧变流器电流环控制器要考虑并网谐波的问题，第二节将对本系统电流环控制器做详细介绍。
2.3 模拟风力机
根据风力机的特性，由流体力学的相关理论可知风力机从风中捕获的机械功率P 为：
对于恒定的桨叶节距角，功率系数p C 是风力机叶尖速比λ 的函数，风力机(λ ) p C 的极大值pmax C 在一个特定的叶尖速比opt λ 时取得，故最大风能跟踪的目标可以转换为在变化的风速时快速准确的找出此时风速下的opt λ 。受气候等因素的影响，在实验室条件下很难构建真实的风机系统，故需用另外的方法实现风力机的准确模拟，本文的风力机模拟方案是采用矢量控制的三相异步电机模拟风力机的功率特性，根据反馈的转速值输出对应于特性曲线上的功率值。根据异步电机旋转坐标系下转子磁链定向的数学模型。
电机的互感， d i 为电机d 轴电流， q i 为q 轴电流, rω为转子转速。本文通过调节d i 、q i 使异步电机输出风力机特性曲线上特定速度下功率值。
3.并网电流低次谐波的抑制
并网逆变器中，为了提高风力发电系统电能质量，需要抑制风电系统低次谐波含量。若采用传统的PI 控制器，通常需要多次复杂的高低通滤波和坐标变换以及多个谐波PI 控制器，才能具有低次谐波消除的能力，这增加了控制系统实现难度。
谐振控制器在同步坐标系下以直流谐振控制器出现，主要用在谐波补偿中，需要对正负序采用两个不同的补偿器.本文采用比例多谐振电流控制器控制并网电流，考虑到理想谐振控制器实现上的困难以及对电网参数过于敏感，本文采用准谐振控制器，在静止坐标系下使用比例和多个准谐振控制器进行并网电流的控制，抑制由于电网参数波动等引起的并网低次谐波,电流环控制框图如图3 所示。图中0 ω为谐振点频率，c ω为谐振控制器的截止频率，使其带宽为cω π ， p K为比例增益， i K 谐振变换器的增益。
加入1、3、5、7 次谐振控制器后的电流控制器Bode 图显示，该控制器在基波，以及3 次，5 次，7次谐波附近有很高的增益，对这些频率附近的电流都具有很好的跟随性能。其中基波幅值由网侧变流器的电压控制器给定，谐波幅值给定为零。由其构成的闭环控制器在1、3、5、7 次基波频率附近具有零静差以及很高的跟随性能，且简化了坐标变换过程，故相对于同步旋转坐标系下的PI 控制器具有较大地优越性。最后该内环电流控制器的输出也需要限制幅值，以保证逆变器能输出给定的电压矢量。
3.仿真研究结果
为验证上述永磁直驱风力发电系统的可性，在Matlab/simulink 下建立仿真模型，并网变流器的电压环控制器采取同样的PI 参数，其永磁同步发电机以及并网滤波电感等参数采用实际实验系统的参数，在同样的风速条件下，分别用两种不同的电流控制器进行并网仿真，并网电流的仿真波形及其电流波形的FFT
分析示意图如下图5 所示：
图5(a)给出的了仿真情况下分别采用PI 控制器和比例多谐振控制器的并网电流波形，图(b),图5(c)分别显示采用PI 控制器时和比例采用多谐振控制器时并网电流的谐波分析图，可以看出采用比例多谐振控制器后3,5,7 次谐波有所减少，总谐波畸变率从6.07%下降到4.08%。
4.实验
为了进一步验证整个控制方案的有效性，搭建了双PWM 永磁同步发电系统和模拟风力机的实验平台，参数如下：1，网侧变换器：中间直流电压450V，直流侧电容，3000uF，网侧无功设定为0,并网变压器380V/190V，Y/Yn 接线方式。2，PMSG:额定功率1.5kW,定子额定电压380V，定子额定电流3.2A，极对数2，定子d 轴电感8.26mH，定子q 轴电感10.5mH，额定转速1500r/min.3，三相异步电机：1.额定功率1.5kW，定子额定电压380V，定子额定电流3A，额定转速1430r/min.图3 和图4 分别给出了永磁同步电机工作在1200r/min 附近,模拟风力机的输出功率大约为840W时,并网变流器分别在PI 控制器和本文提出的多谐振控制器控制下的并网电流波形。
可以看出采用比例多谐振控制器时并网电流中的低次谐波分量得到了明显的抑制，正弦度得到了提高，并网电流的总谐波畸变率得到了明显的降低。图8 为在执行最大风能跟踪算法时，上位机监测到的各个状态量，由图可以看出，电机稳定在1150r/min 左右，而设定的曲线的最大功率点就是1150r/min。此时并网功率为1076W.图9 为此时永磁同步发电机的定子AB 线电压波形和A 相电流波形。
4.结论
本文提出了一种基于双PWM 的永磁直驱风力发电机控制方案，仿真和基于模拟风力机的实验结果表明了该控制方案的有效性。为了抑制并网电流谐波，提出一种网侧变流器电流控制方案，实验结果显示出这种控制器在电流谐波抑制上优于传统的PI 控制器。
参考文献
[1] 张雷,付勋波,不同控制目标下的永磁同步风力发电机
控制策略分析[J].大功率变流技术, 2009(1):31-34.
[2] 胡书举,赵栋利等,基于永磁同步发电机的直驱风电双
脉宽调制变流器的研制[J].动力工程,2009,29(2):
195-200.
[3] Carranza ,O. Figueres, E. Garcera, G. Gonzalez, L. G., F.
Gonzalez-Espin, “Peak Current Mode Control of a Boost
Rectifier with Low Distortion of the Input Current for
Wind Power Systems based on Permanent Magnet
Synchronous Generators,” 13th European Conference on
Power Electronics and Applications, 2009, pp.1-10.
[4] 李建林,高志刚,胡书举,等. 并联背靠背 PWM 变流器
在直驱型风力发电系统的应用.电力系统自动化, 2008,
32(5):59262.
[5] Zmood,D.N. Holmes,D.G., Bode,G, “Frequency domain
Analysis of three-phase linear current regulator,” IEEE
Trans. Ind. Appl, 2001,37,pp.601–610.
[6] 刘其辉,贺益康,赵仁德. 变速恒频风力发电系统最大
风能追踪控制.电力系统自动化,2003,27(20):62267.
[7] Monica Chinchilla, Santiago Arnaltes, Juan Carlos Burgos
“Control of Permanent-Magnet Generators Applied to
Variable-Speed Wind-Energy Systems Connected to the
Grid,” IEEE Trans. on Energy Conversion, 2006, 21 (1):
130-135.
[8] M.Rizo, A.Rodriguez, E.Bueno, F.J.Rodriguez, and
C.Giron, “Low Voltage ride-through of wind turbine based
on interior permanent magnet synchronous generators
sensorless vector controlled,” in Proc. IEEE ECCE, 2010,
pp. 2507–2515.
作者简介：
龙熹(1988-)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要从事新能源并网及微网控制技术的研究。
粟梅(1967-)，女，湖南汉寿人，教授，博士生导师，主要从事新能源发电与现代电力电子建模优化
与控制的研究。
