網(wǎng)側(cè)變流器用igbt作為開(kāi)關(guān)器件，igbt為雙向開(kāi)關(guān)管，所以網(wǎng)側(cè)變流器可做四象限變流器。當(dāng)交流側(cè)輸入功率大于直流負(fù)載消耗的功率時(shí)，多余的功率會(huì)使直流母線電壓上升，反之則直流母線電壓下降。也就是說(shuō)，直流母線電壓與變流器吸收的有功功率有關(guān)，因此調(diào)節(jié)d軸電流給定值i*d即可調(diào)節(jié)直流母線電壓。直流母線電壓會(huì)隨著負(fù)載的增大而降低，此時(shí)增大i*d使網(wǎng)側(cè)變流器工作在整流狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收更多的能量為直流母線電容充電，提高直流母線電壓，反之，則減小i*d是網(wǎng)側(cè)變流器工作在逆變狀態(tài)，直流母線電容向電網(wǎng)放電，降低直流母線電壓。在網(wǎng)側(cè)變流器四象限運(yùn)行時(shí)，控制q軸電流給定值i*d可以控制網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)輸出的功率因數(shù)，這就可以靈活控制網(wǎng)側(cè)變流器吸收的無(wú)功功率，作為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器，一般都需要網(wǎng)側(cè)變流器工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)下，這時(shí)只需把q軸電流給定值i*d設(shè)為0。

　　整個(gè)控制策略使用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。電壓環(huán)給定值i*dc與直流母線電壓udc進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)pi調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，給出d軸電流給定量i*d。q軸電流給定量i*d由需要的功率因數(shù)決定，一般都需要單位功率因數(shù)輸出，則i*d給定為0。i*d、i*q與實(shí)際電流的dq軸分量進(jìn)行比較，誤差經(jīng)pi調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后輸出ud、uq，再與各自的解耦補(bǔ)償項(xiàng)δud、δuq和電網(wǎng)電壓擾動(dòng)前饋補(bǔ)償項(xiàng)ed、eq運(yùn)算后得到網(wǎng)側(cè)變流器參考電壓給定值u*d、u*q，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到兩相靜止坐標(biāo)αβ軸系下的電壓分量u*α、u*β，最后送入svpwm發(fā)生器給出網(wǎng)側(cè)變流器各開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

　　4 機(jī)側(cè)變流器控制策略

　　永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)有多種控制方式，本文采用有功功率和無(wú)功功率解耦控制的方式，可以靈活控制發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率和無(wú)功功率。在dq軸系下，通常把代表無(wú)功量的d軸給定值設(shè)為0，使發(fā)電機(jī)全部輸出有功功率，并可進(jìn)一步通過(guò)q軸給定值增加算法，比如最大風(fēng)能跟蹤、功率給定控制等[6]。實(shí)際中的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)共軸，由于安全和技術(shù)的考慮風(fēng)力機(jī)通常設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速較慢，這就要求永磁同步發(fā)電機(jī)也得采用較慢的轉(zhuǎn)速，所以永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)被設(shè)計(jì)成多對(duì)極，這就帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題，級(jí)數(shù)過(guò)多使永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸徑增大，難于安裝光電碼盤(pán)，所以準(zhǔn)確得到永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)成為控制策略中的難點(diǎn)，本文采用了滑模算法對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估計(jì)，得到了良好的控制效果[6]。整個(gè)控制策略如圖3所示。

　　永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)控制策略需要采集發(fā)電機(jī)兩相電流的模擬量，把電機(jī)作為一個(gè)閉合節(jié)點(diǎn)看待，根據(jù)基爾霍夫電流定律，電機(jī)輸出交流電流ia+ib+ic=0從而可以對(duì)兩相電流進(jìn)行重構(gòu)，若已知電流ia和ib則可得到電流ic=-(ia+ib)。對(duì)三相電流進(jìn)行三相坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的clark變換，再進(jìn)行兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的park變換，分解得到兩相旋轉(zhuǎn)dq軸系下的電流分量，關(guān)于坐標(biāo)變換理論在很多文獻(xiàn)都有詳細(xì)描述，這里不再贅述[2][5]。變換后的dq軸系電流分量通過(guò)pi調(diào)節(jié)器得到需要給定的ud和uq分量，再經(jīng)過(guò)park反變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下需要給定的uα和uβ分量，最后送入svpwm發(fā)生器，得到機(jī)側(cè)變流器三相橋6個(gè)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)信號(hào)。在park變換和park反變換的過(guò)程中需要使用電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的電角度，本系統(tǒng)通過(guò)滑模觀測(cè)法得到轉(zhuǎn)子位置的電角度。

　　5 試驗(yàn)及波形

　　為了對(duì)本文提出的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套完整的10kw永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，其原理如圖4所示。為了模擬實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于風(fēng)力大小引起的速度變化，試驗(yàn)平臺(tái)采用了變頻器拖動(dòng)15kw異步發(fā)電機(jī)通過(guò)齒輪箱降速帶動(dòng)10kw永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，如圖5所示為平臺(tái)外觀。整個(gè)系統(tǒng)采用多cpu的主從式數(shù)字分布控制系統(tǒng)，主要設(shè)備包括變頻器、三相異步發(fā)電機(jī)、齒輪箱、永磁同步電機(jī)、用于觀測(cè)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、背靠背式pwm變流器、網(wǎng)側(cè)lcl濾波器、變壓器、電壓電流傳感器等;控制系統(tǒng)有雙dsp結(jié)構(gòu)的永磁直驅(qū)控制電路、對(duì)電壓電流采樣進(jìn)行調(diào)理的調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)igbt的驅(qū)動(dòng)電路以及調(diào)試pc機(jī)與dsp控制電路的通信、人機(jī)接口等。

　　機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器分別使用dsp控制電路對(duì)其進(jìn)行控制，如圖4所示，為敘述容易機(jī)側(cè)控制電路命名為dsp1，網(wǎng)側(cè)控制電路命名為dsp2，兩套dsp控制電路均使用ti公司生產(chǎn)的tms320lf2812芯片負(fù)責(zé)控制算法，用c語(yǔ)言編程，dsp輸出pwm控制信號(hào)控制igbt橋臂開(kāi)通或關(guān)斷。試驗(yàn)系統(tǒng)采樣使用lem公司的電壓電流傳感器。單獨(dú)調(diào)試網(wǎng)側(cè)變流器時(shí)，由于直流母線電容的存在，上電時(shí)不能使du/dt過(guò)大，造成電容損壞，所以試驗(yàn)平臺(tái)增加了預(yù)充電電路，也可通過(guò)調(diào)壓器緩慢升高直流母線電壓達(dá)到同樣的效果，直流母線放電使用了制動(dòng)電路。

　　試驗(yàn)中首先對(duì)直流母線預(yù)充電以免造成沖擊，然后啟動(dòng)網(wǎng)側(cè)控制程序，建立直流母線，再啟動(dòng)機(jī)側(cè)控制程序，之后斷開(kāi)直流負(fù)載，完成機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器能量交換，試驗(yàn)波形如圖6所示。圖6中直流母線電壓穩(wěn)定在450v，達(dá)到最低母線電壓要求，機(jī)側(cè)電壓和母線電壓檢測(cè)通過(guò)高壓差分探頭，連接到永磁電機(jī)三相輸出端和直流母線兩端。通過(guò)變頻器提高拖動(dòng)三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩岣哂来磐桨l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，隨著轉(zhuǎn)速提高逐漸加大發(fā)電輸出功率。當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)側(cè)pwm電壓波形及輸出電流波形如圖6(a)。圖6(b)示出了發(fā)電機(jī)輸出滿功率時(shí)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)電流波形，這里q軸電流給定為0，進(jìn)行單位功率因數(shù)發(fā)電。電流探頭選擇100mv/a的檔位，從圖6中可以看出電機(jī)側(cè)及電網(wǎng)側(cè)變流器電流控制良好。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略進(jìn)行了分析和研究。建立了機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系下的數(shù)學(xué)模型，在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器解耦控制進(jìn)行了研究，并給出了電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略。機(jī)側(cè)變流器對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電流進(jìn)行控制，使發(fā)電機(jī)輸出電流為正弦，保證了發(fā)電機(jī)平滑運(yùn)轉(zhuǎn)。網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)母線電壓進(jìn)行控制，使母線電壓保持恒定，對(duì)交流側(cè)輸出電流也進(jìn)行解耦控制，可靈活控制有功功率和無(wú)功功率，保證網(wǎng)側(cè)變流器在單位下運(yùn)行。