CN102769423A - 基于z源逆变器的永磁同步机风力发电系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统和控制方法，风力发电机组经过整流电路后输入到电容电压稳定控制系统，电容电压稳定控制系统输出电压信号、基准值电压信号、发电系统到负载端的电流信号输入到电压电流双闭环解耦控制器，电压电流双闭环解耦控制器输出、最大功率跟踪控制器输出和三角载波输入到SPWM脉宽调制电路中，SPWM脉宽调制电路输出触发脉冲信号到三相Z源逆变器，调整三相Z源逆变器输出，此系统能够避免因风速变化出现风力发电机输出电压波动，对直流母线电压带来的影响，维持直流母线电压稳定。采用单级结构的Z源逆变器，可实现对风能的最大功率捕获，升压和逆变，有转换效率高、结构简单、运行可靠的特点。

Description

基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统和控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电技术，特别涉及一种基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统和控制方法。

背景技术

风力发电由于发电成本低，使用范围广阔，是新能源发电中极具前景的一种。按风力发电机特点主要分为双馈式风力发电方式和直驱式风力发电方式，虽然双馈式是风力发电的主流方式，但直驱式风力发电更具有优势:如省去庞大的变速齿轮箱，在效率和材料上大为减少；在更宽的风速变化范围内捕获风能，提高风能的利用率；实现发电机与网侧完全隔离，避免受到网侧过电流冲击和谐波影响等，将是风力发电的发展趋势。按负载侧特点包括并网发电系统和独立发电系统两种。其中的电力电子装置—逆变器或功率变换器在风力发电中起到的关键作用，是实现风力发电机与负载进行能量传递的重要环节，它的转换效率、发电质量、运行的可靠性及成本影响着风力发电系统。

应用于永磁同步发电机风力发电系统中的功率变换器拓扑结构，一般是全功率变换器构成的双级结构。比较双极结构和单极结构，说明后者优点，风力发电机所产生的功率受到了风速的影响，具有间歇性和不确定性。

发明内容

本发明是针对风力发电受风速影响，易产生波动的问题，提出了一种基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统和控制方法，能够避免因风速变化出现风力发电机输出电压波动，对直流母线电压带来的影响，维持直流母线电压稳定。采用单级结构的Z源逆变器，可实现对风能的最大功率捕获，升压和逆变，有转换效率高、结构简单、运行可靠的特点。

本发明的技术方案为：一种基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统，包括风力发电机组，风力发电机组发出的电能经过整流电路后变换为直流电，输入到三相Z源逆变器变换为电压稳定的交流电，最后向电网或负载供电。其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括最大功率跟踪控制单元、电容电压稳定控制单元和并网逆变控制单元。电容电压稳定控制单元：为由两个电感和两个电容交叉连接构成的二端网络，即Z源网络；并网逆变控制单元：包括三相逆变器、SPWM脉宽调制电路和电压电流双闭环解耦控制器；由Z源网络和三相逆变器组成三相Z源逆变器。最大功率跟踪控制单元：风力发电机输出有功功率和转速估计器输入到最大功率跟踪控制器。电容电压稳定控制单元中直流电压信号、基准值电压信号、逆变器侧交流电流信号输入到电压电流双闭环解耦控制器，电压电流双闭环解耦控制器输出、最大功率跟踪控制器输出和三角载波输入到SPWM脉宽调制电路中，SPWM脉宽调制电路输出触发脉冲信号到三相Z源逆变器，调整三相Z源逆变器输出交流电。

一种基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统的控制方法，包括基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统，具体包括如下方法：

1）由两个电感和两个电容交叉连接构成的二端网络输出值与基准值的差值作为电压电流双闭环解耦控制器的电压输入，电网输出端电流直流分量和交流分量为电流输入，电流内环采用PI调节器，并采用状态反馈解耦控制，电压外环采用PI调节器控制，

电压电流双闭环解耦控制器输出：

                

                 

K _P、K _I为比例和积分环节增益，i _d ^*、i _q ^*为电流指令值，通过u _d、u _q形成三相调制波对网侧逆变器交流侧电压进行控制，ω是电网角频率， L是电感值，e _d和e _q是交流侧电压经坐标变换后值；

2）最大功率跟踪控制系统控制方法:首先在额定风速以下运行，参照风机厂商提供的测量数据，得到最大功率曲线图；然后根据当前测得风力发电机输出有功功率，查表得出参考转速ω _ref，再和前一时刻发电机输出功率相比较，如果功率增加，可叠加转速增量△ω，直至功率减小，再减小转速增量△ω，经过数次循环调整后找到最大功率点对应的转速值，推算得出参考值再与转速值比较后，经过计算得到电流参考值，再与实际电流值相比较后，输出作为直通占空比d ₀信号，将与调制波信号进行叠加，最终生成脉冲宽度调制信号，具体为：通过采用一组直线作为直通调制波来产生直通零矢量，当调制波的调制度M增大时，直通占空比将减小，下直通占空比上限是1-M，当三角载波大于上侧直通调制波V _p或者小于下侧直通调制波V _n时，输出直通零矢量，由于两侧直通调制波间距不变，直通占空比d ₀始终保持恒定，得到的直通零矢量与传统PWM脉冲相叠加，得到控制三相逆变器的控制信号，控制供电输出。

本发明的有益效果在于：本发明基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统和控制方法，以最简单的拓扑结构风能的转换，输出平稳，运行可靠，可最大限度的利用风能，提高发电效率。

附图说明

图1为本发明基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统结构框图；

图2为本发明基于爬山法的最大功率点跟踪方式图；

图3为本发明基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统控制方法中升压控制调制图；

图4为Z源逆变器从直流侧看进去的等效电路图；

图5为本发明处于直通零矢量时的等效电路图；

图6为本发明处于8个传统矢量时的等效电路图；

图7为本发明三相并网型Z源逆变器主电路图；

图8为本发明电压电流双闭环解耦控制框图；

图9为本发明不同风速下风力机w _m-P _m特性曲线图；

图10为本发明Z源网络电容电压仿真波形图；

图11为本发明电网电压仿真波形图；

图12为本发明d ₀=0.26时网侧相电流仿真波形图；

图13为本发明d ₀改变前后网侧相电流变化仿真图；

图14为本发明永磁风力发电机转速变化仿真图；

图15为本发明发电机不控整流滤波后输出直流电压仿真图；

图16为本发明占空比变化前后直通调制波与三相调制仿真波形图；

图17为本发明变风速MPPT控制下永磁风力发电机转速变化图；

图18为本发明变风速MPPT控制下发电机不控整流滤波后输出直流电压图；

图19为本发明变风速MPPT控制下网侧相电流波形图；

图20为本发明变风速MPPT控制下Z源网络电容电压波形图。

具体实施方式

图1为本发明基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统的结构框图，其中，所述的Z源逆变器包括：采用电压型Z源逆变器的直驱式风电系统。图1所示的主电路系统结构中，由一个三相二极管整流桥、一个电感L ₁、L ₂电容C ₁、C ₂交叉构成的二端网络以及三相逆变器构成。

所述的控制器包括：最大功率跟踪控制环节1、电容电压稳定控制环节2和并网逆变控制环节3。

上述系统中，风能的最大功率跟踪算法具体为一种基于爬山法的最大功率跟踪方式。

在额定风速以下运行时，风力发电系统必然要进行最大功率跟踪控制（MPPT），可参照风机厂商提供的测量数据，得到图2中的最大功率曲线P _o，并以表格形式保存在控制系统中，进行查表计算。这种方式虽然简便，但由于风速变化范围较宽数据量大，以及每台风机特性都不尽相同，单独依照查表的方法并不能得到理想效果。

因此，可根据已知的功率—风速曲线数据，利用爬山法跟踪功率来进一步调整，找到最接近的功率最大点。MPPT算法根据当前测得风力发电机输出有功功率，查表得出参考转速ω _ref，再和前一时刻发电机输出功率相比较，如果功率增加，可叠加转速增量△ω，直至功率减小，再减小转速增量△ω，这样经过数次后就可以找到最大功率点对应的转速值，推算得出参考值再与转速值比较后，经过计算得到电流参考值，再与实际电流值相比较后，输出作为调制波信号用于控制脉冲占空比。这样通过占空比的调节可以实现对整流桥输出交流基波电压的控制，进而对发电机转速进行调节实现最大功率追踪。

图2为基于爬山法的最大功率点跟踪方式。图中设风机工作在风速v ₁下，发电机初始工作点A。系统测得功率为P _A，并在表上查得与P _A对应的最大功率点为M₁，更新发电机侧转速指令为ω _M1，当电机转速稳定在ω _M1之后，应用爬山法进行微调节，也许电机工作点移到B点，然后根据此时测得的功率P _B进行新一轮调节，如此反复，一般只需2～3次调节即可逼近v ₁风速下的最大功率点C点。

当风速突然降为v ₂时，由于系统惯性较大，发电机转速不能突变，则系统工作点将突变至D点，则对应于系统给定的相同功率点E，再由表上查得与P _E对应的最大功率点M₂，并更新转速指令为ω _M2，当电机转速稳定在ω _M2之后，再次应用爬山法进行调节，直至系统工作点将迅速调节到F点，即与v ₂风速对应的最大功率点。同理，当风速突然由v ₂增加到v ₁时，调节过程类似。

如果风速值介于v ₁和v ₂之间时，虽然在表格中没有给定参考最大功率点M_n，但仍可以参照临近风速v ₁或v ₂下的对应值，按照爬山法进行调整，可能会多调1～2次后，则在新的风速下仍能迅速跟踪到功率最大值。

上述系统中，电容的期望电压按照如下方式确定：

图3为升压控制调制图。通过采用一组直线作为直通调制波来产生直通零矢量。对这种控制方法来说，当调制度M增大时，直通占空比将减小，这种控制方法下直通占空比上限是1-M。当三角载波大于上侧直通调制波V _p或者小于下侧直通调制波V _n时，输出直通零矢量。由于两侧直通调制波间距不变，直通占空比d ₀始终保持恒定。得到的直通零矢量与传统PWM脉冲相叠加，即得升压控制下的脉冲序列。

图4所示为Z源逆变器从直流侧看进去的等效电路。当逆变桥处于直通零矢量时，桥臂相当于短路；而当逆变桥处于6个非零状态矢量或者2个传统零矢量时，逆变桥可以等效为一个电流源。这两个状态时的等效电路分别如图5和图6所示。

Z源网络具有着结构对称性，其中L ₁=L ₂=L，C ₁=C ₂=C。由如图4等效电路和Z源网络的对称性可得：

                         (1)

假设一个开关周期T中，处于直通零矢量状态的时间为T ₀，那么由图5所示直通零矢量状态时的等效电路可知此时有

                      (2)

处于8个传统矢量状态的时间为T ₁,，则由图6所示等效电路可得

             (3)

对于一个开关周期显然有T= T ₀+ T ₁。

当系统处于稳定状态时，电感电压在一个开关周期的平均值为零。因此由式(2)及(3)可得

                   (4)

                        (5)

对逆变桥直流侧平均电压

和峰值电压（即8个传统状态矢量时逆变桥直流侧电压）分别有

            (6)

             (7)

这里B为升压因子，且有

                                 (8)

对Z源逆变器而言，逆变桥直流侧峰值电压

即为等效的直流侧电压，由此可得逆变桥交流侧输出相电压峰值

                           (9)

这里M为调制度，由此dc-ac三相Z源逆变器的电压增益和稳态电容电压分别为

                                (10)

                        (11)

此处d ₀=T ₀/T为直通占空比。

上述系统中，并网逆变控制环节按照如下方式确定：

图7为三相并网型Z源逆变器，图中主电路定义S _j为逆变桥开关状态函数。

         (12)

当逆变桥3个上桥臂同时导通、3个下桥臂同时导通或者出于直通状态时，电网均表现为3个交流端短路，上述定义并不对网侧电压方程产生影响。由基尔霍夫定律可得三相Z源逆变器回路方程：

                            (13)

通过锁相环(PLL)获得电网电压相角和频率可将上述模型转换到同步旋转d-q坐标系下，这里取d轴与电网电压向量同方向，于是有：V _q=0，V _d=E。

                            (14)

这里i _d、i _q分别为电网电流的直轴和交轴分量，S _d、S _q为d-q坐标系下的开关状态矢量。

d-q坐标系下的有功和无功功率为：

                             (15)

考虑单位功率因数运行即输出无功为零时，网侧相电压有如下关系：

                            (16)

u _ac、E、i _ac分别为Z源逆变器交流侧相电压基波、电网相电动势基波、相电流基波有效值。当采用SPWM调制为了保证单位功率因数下馈送足够的有功功率源Z逆变器网侧输出的线电压基波幅值必须满足：

                        (17)

其中

为Z源逆变器直流侧母线电压峰值，再由式(4-5)及(4-7)可得：

                         (18)

当采用z源升压控制方式时，由于此时d ₀=1-M代入式(18)可得升压控制方式下Z源网络电容电压给定值：

                         (19)

而由前述Z源逆变器的特性可知，在一个暂态过程可以把直通占空比d ₀看作是一个常量，它与传统电压源逆变器的区别在于它的直流侧电压为稳定的矩形波，而后者为恒定的直流电压。但是由于Z源逆变器的传统非零矢量时刻直流侧均为矩形电压的峰值，因此这并未对逆变过程产生任何影响，可以采用传统的电压电流双闭环解耦控制模式对Z源并网逆变器进行控制。

图8为电压电流双闭环解耦控制框图。图中电压外环以电容电压值和基准电压值的差值形成网侧电流有功分量指令值i _d ^*，作为电流内环输入参考量。电流内环采用PI调节器，并采用状态反馈解耦控制，电压外环采用PI调节器控制。

电压电流双闭环解耦控制器输出：

                 (20)

                 (21)

K _P、K _I为比例和积分环节增益，i _d ^*、i _q ^*为电流指令值。这样通过u _d、u _q形成三相调制波对网侧逆变器交流侧电压进行控制，可以调节输出功率，以实现电容电压的稳定控制。

采用Matlab/Simulink搭建系统模型，仿真系统参数：多级低速永磁同步发电机L _d=L _q=4.24mH，Ψ _f=0.536Wb，R _s=0.1764Ω，36对极；机侧整流桥直流侧电容C=1200μF，电网侧连接电感L=8mH；Z源网络电容C ₁=C ₂=2000μF，电感L ₁=L ₂=5mH。

采用的低转速风力机w _m-P _m特性曲线如图9所示，图中六条曲线分别是风机桨距角为 0度，风速为6m/s，7.2m/s，8.4m/s，9.6m/s，10.8m/s，12m/s时的w _m-P _m特性。由图中可以看出在额定风速12m/s，风力机工作在额定转速w _m=205r/min时，可获得额定功率14.6kW；其余风速下也均有一个最佳转速对应该风速下的最大捕获功率。

设定系统运行由380V配电网接入，工作于单位功率因数下对外输出最大有功功率。由前述电容电压给定过程的分析，结合选定的低转速额定功率14.6kW风力发电机，选定Z源网络电容电压参考值为700V。

通过对产生Z源逆变器触发脉冲几种方法的分析，考虑到最大升压控制总的谐波畸变率过高，简单升压控制方法和最大恒升压控制总谐波畸变率和网侧逆变器承受电压应力差别不大，而最大恒升压控制实现较为复杂，在此采用简单升压控制方法产生Z源逆变器的触发脉冲。

设定起始风速V _wind=9.6m/s，直通占空比d ₀初始值为0.26，在t=1.5s时变为0.02，对电压电流双闭环解耦控制进行检验。图10～16为仿真波形。

由图10可以看出，直通占空比变化前后三相调制波幅值始终未超出直通调制波。Z源网络电容电压经过系统工作初始阶段的充电过程后在设定值700V保持稳定，在直通占空比大幅瞬变时经历了一个调整过程之后依然保持在设定值 (实际中d ₀在MPPT作用下变化不会这么剧烈，电容电压调整过程也很短暂) ，确保了整个风力发电系统捕获的风能和输出的电能之间的平衡。由输出相电流与电网电压波形可以看出，系统保持了设定的单位功率因数并网条件。由于直通占空比d ₀的改变，Z源逆变器的升压比产生变化，发电机输出端经不控整流后直流电压相应的改变，实现了对永磁同步发电机转速的调节。由于发电机转速W _m的改变，风力发电机在风速V _wind=9.6m/s时的运行点发生了改变，捕获功率出现变化，也使得前后输出相电流幅值出现了改变。

由仿真结果可以看出d ₀=0.26时，发电机转速约为w _m1=156r/min，输出相电流约为Ia=16A，而由图4-10中对应V _wind=9.6m/s，w _m1=156r/min的工作点可知此时风力机捕获功率约为P _mec=7.5kW。通过计算可知风机捕获功率与输出电功率在误差范围内基本一致。而d ₀=0.02时，发电机转速约为w _m2=218r/min，显然发电机转速已经上升并越过了V _wind=9.6m/s时的最佳工作点，对比可以看出捕获功率明显低于d ₀=0.26时，因此输出相电流幅值出现了下降。

变风速下MPPT控制：为加快系统仿真速度，同时防止波形数据溢出，MPPT控制中设置的参考转速变化步长w_step=2r/min，同时设定起始风速V_wind1=9.0m/s，在t=1.5s时变为V_wind2=10.8m/s，t=2.5s时变为V_wind3=7.0m/s。发电机转速、输出端直流电压、逆变器输出相电流、Z源网络电容电压波形如图17～20所示。

由图17～20可以看出，不同风速时系统在MPPT作用下经过调整后均进入了稳态，V _wind1=9.0m/s、V _wind2=10.8m/s、V _wind3=7.0m/s时稳定转速分别为w _m1=154r/min、w _m2=187r/min、w _m3=120r/min，输出相电流幅值分别为i _a1=11.5A、i _a2=23A、i _a3=7A。根据风力机特性并考虑误差范围，可知在不同风速下基本均追踪到系统最佳运行点并维持稳定。

Claims (2)

1.一种基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统，包括风力发电机组，风力发电机组发出的电能经过整流电路后变换为直流电，输入到三相Z源逆变器变换为电压稳定的交流电，最后向电网或负载供电，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括最大功率跟踪控制单元、电容电压稳定控制单元和并网逆变控制单元，电容电压稳定控制单元：为由两个电感和两个电容交叉连接构成的二端网络，即Z源网络；并网逆变控制单元：包括三相逆变器、SPWM脉宽调制电路和电压电流双闭环解耦控制器；由Z源网络和三相逆变器组成三相Z源逆变器；最大功率跟踪控制单元：风力发电机输出有功功率和转速估计器输入到最大功率跟踪控制器；电容电压稳定控制单元中直流电压信号、基准值电压信号、逆变器侧交流电流信号输入到电压电流双闭环解耦控制器，电压电流双闭环解耦控制器输出、最大功率跟踪控制器输出和三角载波输入到SPWM脉宽调制电路中，SPWM脉宽调制电路输出触发脉冲信号到三相Z源逆变器，调整三相Z源逆变器输出交流电。

2.一种基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统的控制方法，包括基于Z源逆变器的永磁同步机风力发电系统，其特征在于，具体包括如下方法：

1）由两个电感和两个电容交叉连接构成的二端网络输出电压值与基准电压值的差值作为电压电流双闭环解耦控制器的电压输入，电网输出端电流直流分量和交流分量为电流输入，电流内环采用PI调节器，并采用状态反馈解耦控制，电压外环采用PI调节器控制，

电压电流双闭环解耦控制器输出：

                

                 

K _P、K _I为比例和积分环节增益，i _d ^*、i _q ^*为电流指令值，通过u _d、u _q形成三相调制波对网侧逆变器交流侧电压进行控制，ω是电网角频率， L是电感值，e _d和e _q是交流侧电压经坐标变换后值；

2）最大功率跟踪控制系统控制方法:首先在额定风速以下运行，参照风机厂商提供的测量数据，得到最大功率曲线图；然后根据当前测得风力发电机输出有功功率，查表得出参考转速ω _ref，再和前一时刻发电机输出功率相比较，如果功率增加，可叠加转速增量△ω，直至功率减小，再减小转速增量△ω，经过数次循环调整后找到最大功率点对应的转速值，推算得出参考值再与转速值比较后，经过计算得到电流参考值，再与实际电流值相比较后，输出作为直通占空比d ₀信号，将与调制波信号进行叠加，最终生成脉冲宽度调制信号，具体为：通过采用一组直线作为直通调制波来产生直通零矢量，当调制波的调制度M增大时，直通占空比将减小，下直通占空比上限是1-M，当三角载波大于上侧直通调制波V _p或者小于下侧直通调制波V _n时，输出直通零矢量，由于两侧直通调制波间距不变，直通占空比d ₀始终保持恒定，得到的直通零矢量与传统PWM脉冲相叠加，得到控制三相逆变器的控制信号，控制供电输出。

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