摘要：介紹了一種基于Mw級直驅永磁同步風力發電機的變流器的設計方案，并且采用模塊并聯以及多重化技術，降低各模塊容量的同時，有效地減小了發電機和并網電流中的諧波含量，提高了系統的穩定性和電能質量。給出了實驗結果，驗證了控制算法的有效性。
關鍵詞：永磁同步風力發電機;變流器;多重化;實驗引 言近年來，風力發電朝著大型化、高電能質量方向發展;風電機組的****單機容量已達到3 MW～等級。直驅型風力發電機采用多極低速永磁同步電機作為發電機。其轉子用****磁鐵取代電勵磁磁場，簡化了結構，使得風機與發電機之間無需齒輪箱相連;采用直接驅動，降低了系統噪音，減小了維護成本，具有很好的發展前景，特別適用于大容量風力發電系統和海上風力發電Ⅲ。本文介紹一種基于模塊并聯來實現大功率永磁直驅風力發電系統變流器的方法。詳細闡述了永磁電機的原理、整流側和并網側的控制策略以及多重化技術具體實現方法，最后給出了實驗結果。
系統結構隨著風電機組的單機容量逐步增加，作為風電機組與電網之間接口的變流器，由于受到功率開關器件電流容量的限制，大功率逆變器不得不通過一定的并聯方式加以實現。模塊并聯不但有利于工業生產的標準化和通用化，而且可以利用多重化技術取得更好的效果。本文采用如圖1所示的電路拓撲結構，實現直驅變流器的設計。系統包括：六相永磁同步發電機、六相不控二極管整流橋、兩路并聯的Boost升壓電路和兩路并聯的三相逆變橋。
控制原理六相永磁同步發電機的繞組由兩套三相繞組組成，各自相差30°電角度。在d—q軸坐標系中取永磁體轉子極中心線為d軸，建立其數學模型，并采用發電機慣例，其磁鏈和電磁轉矩方程分別為： ψd=-Ldid+ψf （1） ψq=-Ldid （2）
式中，id、iq分別為d、g軸電流；ψd、ψq分別為d、g軸磁鏈；Ld為定子直軸電感；Lq為交軸電
感；ψi為永磁體勵磁磁鏈；p為電機極對數；Te為電磁轉矩。
對于隱極發電機，其定子直軸電感Ld和交軸電感Lq相等，則式(3)變為：
發電機的電磁轉矩與定子的交軸電流成比例關系。由于采用二極管不控整流，整流橋后的Boost電路相當于一個直流電流源負載。如果不考慮電機定子電流中的諧波含量，只要控制電感的直流電流的均值，就可以控制定子電流的大小，從而控制電磁轉矩。
2．2 Boost升壓斬波器控制
在升壓斬波電路電流連續模式中，電感電流的變化遵循下式：
式中Vdc、Vdc2為Boost 兩直流側電壓；α為開關器件的占空比。
由此得到單個Boost電路的控制框圖如圖2可示。
對于兩個Boost電路并聯，為了減小電流的波動，二個Boost電路中的開關器件的載波分別相移
180°，這樣能夠減小總電流的波動。這樣做不但可以減小單個直流電感的容量，而且在同等大小電流波動的情況下，可以進一步減小電感。
2．3逆變器控制
為了提高逆變器的電壓利用率和動態響應，減小輸出電流的諧波含量，本文采用空間矢量PwM(SVtwM)。在d—q坐標系中進行解耦控制，實現有功和無功分別調節。單個逆變器的控制框圖如圖3所示
指令，得到輸出的電壓指令，再通過SVPWM發生器對逆變器開關進行控制，穩定地向電網輸送電能，滿足功率因數和頻率的要求。
為了減小并聯后輸入到電網的電流諧波含量，本文提出一種基于SVPwM控制的多重化算法。對于sVP、WM，合成矢量有兩種不同的作用順序。以目標電壓矢量在第1扇區為例，兩種開關模式如圖4所示，兩者的區別在于其零矢量作用的順序不同。
若兩逆變器的電壓指令相同，兩種開關模式則相當于其調制波波形相位上相差大約為Ts／為開關周期)。對于奇數倍開關頻率附近的諧波，兩逆變器對應的諧波相位則相差π電角度。并聯后產生的諧波電流相互抵消，不會流到電網上。
由于svPwM中的諧波主要以開關頻率附近的諧波為主，所以大大減小了這部分的諧波含量，提高了輸出的電能質量。
2．4逆變器聞環流抑制
由于采用SVPwM方法，為了提高電壓利用率，其輸出的調制波中注入了零序電壓分量，主要為三次諧波。同時，兩個逆變器通過三相電感直接并聯后，之間形成了零序電流的通路，并且兩逆變器由于數字計算和硬件電路差別以及死區的影響，使得輸出的零序電壓并不相等。該電 壓之差會作用在并聯后形成的零序通路上，形成環流；特別是大容量逆變器，其直流母線電壓大，濾波電感小，更容易形成較大的環流。環流會影響向均流和器件的利用率，增加系統的損耗和散熱，必須進行抑制。
（111）和(000)兩個零矢量作用時間會影響逆變器輸出的零序電壓的大小。通過調節兩零矢量作用時間，可以改變單個逆變器輸出的零序電壓，達到抑制零序環流的目的。通過對零序環流的檢測，同時調節兩逆變橋的零矢量時間作用比，能較快地抑制環流。具體方法如圖5所示。
在一個開關周期內，兩個有效矢量作用時間為、T2，零矢量作用時間為Tzero其中VO(000)作用時間為T0，V7(111)作用時間為T0。按圖5中的控制方法，逆變橋1的兩個零矢量各自作用時間分別為：
逆變橋2的兩個零矢量各自作用時間分別為：
式中，d為檢測到的環流經過控制器調節后輸出的控制變量。兩逆變器同時調節其零矢量作用時間，而且調節幅度相同，不但能取得較快的抑制效果，而且不會影響到前述諧波電流的消除。
實驗結果及分析實驗中一臺永磁同步發電機的輸出經過整流、逆變后并到電網上。實驗中，斬波電路工作的開關頻率為1 kHz，逆變橋工作的開關頻率為3 kHz。
直流母線電壓維持在100 V，電網電壓為60 V。
從圖6中可以看出并聯后電流紋波減小。這也就減小了電機定子電流中諧波的含量，從而減小了發電機的轉矩脈動。
圖7給出了功率因數為1的并網電流波形。圖給出了功率因數為O.9(****)的電流電壓波形
圖9給出了單個逆變橋和并聯后的相電流對比圖。從圖中可以看到，并聯后電流波形要比單個逆變器的波形要平滑很多，諧波含量也更少。對電流波形數據進行了諧波分析，結果見表1。可以看到基本消除了開關頻率附近的諧波，總諧波含量降低了一半左右。
圖10和圖11分別給出了環流控制前后的電流波形。可以看到通過2．4中的方法，不但較好地抑制了環流，而且改善了電流波形。
  
4總結
本文圍繞大容量永磁同步風力發電機變流器進行研究，設計了一套交直交拓撲電路，并采用模塊并聯和多重化技術實現。文中詳細介紹了電路中各部分的原理以及實現方法。
采用多重化技術不但能消除諧波、提高電能質量，另外在同等設計目標調節下，可以減小器件的開關頻率和電感電容的參數，不但降低了系統的散熱量，并且降低了成本。
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