基于SVPWM控制的双三电平变换器的直驱永磁同步风电系统研究

摘 要：永磁同步电机（PMSG）直接和风力机相连接，而电能通过全控的交—直—交变换器和电网相连接。功率转换电路由发电机侧的三电平变换器、直流电路和网侧的三电平变换器三部分共同构成。基于永磁同步电机的最大风能捕获控制系统，空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）和转子磁链定向矢量控制策略被应用于实现有功和无功功率的控制。本研究完成了相关的仿真和试验，于文中给出了诸如三相电流、直轴交轴电流的波形，均证明了本文提出的控制算法的可行性和有效性。

关键词：空间矢量脉宽调制；风力发电系统；三电平变换器；全控；控制策略

永磁直驱同步发电机（PMSG）被广泛应用于风力发电系统，功率变换器则是电能向电网输出功率系统中的重要部分。双电平变换器通常被用于传统的风电系统。随着对供电量和供电质量需求的提升，基于多电平变换器的高功率变换器的拓扑结构之研究也引起了人们的高度重视。

对直驱风电系统的研究有效地提高了电力系统的效率和可靠性。直驱风电成为国际上相关领域研究的热点。通过文献研究发现，基于双电平变换器的直驱风电系统得到广泛研究，并且提出将三电平变换器应用于该系统，但这也仅限于研究了变换器本身，并没有涉及到该系统的控制问题。本研究针对永磁同步电机使用的是空间矢量脉宽调制（SVPWM）和转子磁链控制策略，而且将转速作为外環而电流作为内环，共同构建了双回路控制系统。

一、风力机的基本特性

风力机是风电系统的关键部分之一。根据其空气动力学特征，风力机的输出功率可通过计算得出。

功率系数Cp也叫作风能利用系数，它与风速、叶片速度、叶片直径和桨叶角都有直接的相关性。可以看出，当叶尖速比比最优叶尖速比大或小时，风能利用系数都会偏离最大风能利用系数，造成单位效率的下降。同时，Cp的数值在桨叶角变大时显著下降。

根据上述分析，风机的输出功率和转速在不同风速下产生变化。在不同风速下，功率—转速曲线可以得到。连接不同风速下最大功率点形成的是风力机的最大功率曲线Popt。当风力机运行在最大功率曲线上的时候，就会产生最大的功率。

二、基于空间矢量脉宽调制技术的三电平变换器

对于三相三电平变换器而言，每一相都有三种电平的输出，因此对应于27中矢量控制状态共有27个三相输出状态的空间矢量。空间矢量图分为6个区域，每一区域有四个象限，

钳位型三电平变换器空间矢量调制算法基于瞬间功率平衡。Α、β是两相静止正交坐标系，g、h是本文定义的非正交的60°坐标系，h轴逆时针超前g轴60°。它们之间有一定的数学关系。

然而，电流相对中性点的方向在onn和ppo作用时是相反的。保持T14p+T14n不变，改变两者之间的比例，那么流向中性点的电流就可以控制，进而保持中性点的电势平衡。

三、基于永磁同步电机的最大风能跟踪矢量控制技术

根据上述的永磁同步电机的建模和三电平空间矢量脉宽调制的算法，永磁同步电机的控制方块图可以获得。

P是电机的极对数。在捕获风能的过程中，输出功率取决于对应于瞬时风速的Pm-Wm的功率点。因此，对于风电系统来说，若想控制输出有功功率Pge就要控制风电系统的发电机转速。风电机要保持运行在最佳叶尖速比处来保证系统运行在最大功率曲线上。通过计算可获得最佳转速。

θmr是电机转子的角度。将得到的机侧变换器定子电流命名为ia，ib，ic，通过Park变换，d轴分量id和q轴分量iq也可获得。ωmr是机械角速度，ωmref和ωmr的区别在于后者是转速控制器的输入信号，前者是比例积分控制器的参考值。为了实现解耦控制，令d轴电流给定值为零。

为了证明所提出算法的有效性，我们对低速永磁同步电机进行了仿真实验，得到了发电机对应于不同风速的转速变化曲线。由该变化曲线可以看出，发电机转速可以跟踪风速的瞬时变化。对于机侧三电平变换器的电压曲线，它显然比二级变换器的曲线要更加接近正弦曲线。对于永磁同步电机的定子电流，可以看出，当风速变化时，电机的电流变化也极为迅速，并且仍保持正弦曲线的形状，定子电流的频率随风速变化而变化。d轴电流id在全过程中均为零，说明实现了d轴和q轴电流的完全解耦，q轴电流随风速变化而变化。

通过实验获得的结论是，与仿真结果相比，这些曲线基本是连续的，证明了本算法的可行性和有效性。

四、结论

本文主要对风力机进行了分析，转子磁链定向控制和基于非正交坐标系的空间矢量脉宽调制算法都得到了应用。发电机转速能迅速地跟踪参考转速而进行改变，输出电流也能保持良好的正弦特性。下一步的工作重心在于对基于SVPWM控制的双三电平变换器的直驱永磁同步风电系统进行更深入的实验研究。

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作者简介：王滨臣，东北电力大学电气工程学院。