摘要 以永磁直驱型风力发电体系为研讨目标，针对其变流器结构和操控战略进行了研讨。经过挑选最优双PWM“背靠背”变流拓扑结构，并选用直接功率操控战略进一步进步了风力发电体系的并网功用。树立了输出功率为10 kW的并网体系仿真模型，验证操控战略的正确性。结果表明，依据直接功率操控战略的“背靠背”变流拓扑具有结构合理、操控战略新颖的长处，在确保直流侧电压安稳的一起，电网电流谐波畸变率低、波形杰出，可以完成单位功率因数并网，满意并网要求。
风能作为资源丰富的清洁动力使风力发电占有了重要方位，因为削减齿轮箱结构可以进步体系的可靠性，现在风电范畴遍及选用永磁直驱型同步风力发电体系。为使机侧整流器和网侧逆变器可以独立操控，然后完成更多的功用和增强通用性，选用双PWM“背靠背”变流拓扑结构。风力发电体系的变流器首要指机侧的整流器和网侧的逆变器，经过对机侧整流器的操控来进步风能利用率，而且使输出的直流电压坚持在安稳值;经过对网侧逆变器的操控来完成单位功率因数并网，输出安稳的高质量电能，然后进步电网的安稳性。为满意风电并网要求和进步整机的作业效率，其操控技能和战略成为首要研讨方向。
跟着电力电子技能的不断开展，新式的操控战略得以不断涌现，其间的直接功率操控技能(DPC)将沟通侧瞬时有功、无功功率作为被操控量直接进行功率的闭环操控，比较矢量操控技能，无需杂乱的坐标改换，算法和体系结构简略，而且可完成单位功率因数并网，具有杰出的动态功用，开展潜力大。
1 变流器的拓扑结构和数学模型
双PWM“背靠背”全功率变流结构如图1所示，体系选用两个PWM变流器，该体系尽管结构杂乱且需求的IGBT数量多，但具有较强的通用性，而且机侧整流器和网侧逆变器的操控办法、电路规划相似。因为机侧整流器和网侧逆变器由中心电容链接，互相的操控是别离、独立的，所以中心环节可以被认为是一个安稳的直流电压源。经过对机侧整流器和网侧逆变器的操控使风电体系发生的电能高质量地并入电网中。
风电体系的变流器首要指机侧的整流器和网侧的逆变器，实质上，整流器和逆变器在电路结构和原理上是相同的，它既可以运转于整流形式，也可运转于有源逆变形式，当运转于整流形式时，是将永磁同步发电机发生的沟通电变为直流电，当网侧逆变器运转于逆变形式时将电能向电网侧运送。三相电压型PWM变流器的主电路结构如图2所示。
为简化剖析，一般假定电网电动势是正弦波且三相平稳，网侧滤波电感线性各相的数值都持平，开关管为无导通损耗的抱负开关。电网三相电动势记作ea、eb、ec;电网三相输出电流记作ia、ib、ic，L为滤波电感;等效电阻的总值记为R;C是直流侧的电容;udc是直流侧的电压值。为便利剖析开关状况，用Sa、Sb、Sc别离表明逆变器的3个桥臂;上桥臂导通下桥臂关断用“1”表明，反之用“0”表明。在两相停止αβ坐标系中，网侧电动势表明为eα、eβ;沟通电流值表明为iα、iβ;开关函数表明为Sα、Sβ。
两相停止αβ坐标系下的三相电压型PWM变流器数学模型的方程可描绘为
2 直接功率操控战略
为更好地进步风能利用率，优化并网的功用，机侧整流器和网侧逆变器都选用了直接功率操控战略。直接功率操控(DPC)经过实时对电网电压和电流检测，并将瞬时有功、无功功率值核算出来，然后经过与给定的有功功率和无功功率值比较，然后到达将瞬时功率操控在答应的规模内，然后完成把瞬时有功、无功电流操控在答应规模内。
2.1 直接功率操控战略原理
电压定向直接功率操控体系经过查找开关表来操控变流器，双环操控体系里的功率内环是用于对有功、无功功率进行直接操控，而直流电压外环的作用是为了安稳直流侧的电压，详细原理如图3所示。
(1)运用沟通电压、电流传感器测得相电压ea、eb、ec和相电流ia、ib、ic，经过核算得出瞬时有功、无功功率p和q，一起将相电压转化成两相停止坐标系中的eα、eβ核算出扇区信号θn。
(2)直流侧经过电压闭环操控使直流母线电压盯梢指令值，并将直流母线电压差错经PI调理的输出与直流母线电压的乘积作为瞬时有功功率的给定值pref无功功率给定值qref设定为0。
(3)将p与pref进行做差比较得到的差值送入有功功率滞环比较器，再将q和qref的差值送入无功功率滞环比较器中，滞环比较器的输出便是状况信号Sp、Sq的值。
(4)依据Sp、Sq、θn进行矢量开关表的查找来挑选所需的Sa、bS、Sc，用于驱动主电路的开关管。
2.2 直接功率操控战略完成进程
(1)瞬时功率核算。选用两相停止αβ坐标系下的数学模型，将检测到的三相电压ea、eb、ec和电流ia、ib、ic，经过C3s/2s矩阵改换得到eα、eβ和iα、iβ，核算出瞬时有功、无功功率。
(2)沟通电压矢量扇区区分。为了确认电压矢量坐落哪个扇区内，需求对扇区进行区分，这儿选用将αβ平面扇区均匀地分为12个持平的部分，依次是θ1～θ12详细方位如图4所示，相角规模θn可以由式(2)确认
经过eα、eβ确认电压矢量Ur的相角θ=arctan(rβ/eα)确认其地点的区间。例如，θ=arctan(eβ/eα)=-30°～0°，阐明电压矢量Ur坐落θ1扇区。
(3)功率滞环比较器。可由软件编写或树立施密特电路来完成，分为有功功率滞环比较器和无功功率滞环比较器两种，输入别离为瞬时有功、无功功率给定值，瞬时有功、无功功率差值△p，△q，比较器的输出为状况量Sp、Sq，他们表明有功、无功功率违背给定值的状况;图5所示为功率滞环比较器的滞环特性，可得在不同输入情况下Sp和Sq的数值，其间，图5(a)为有功功率，图5(b)为无功功率，详细描绘如下。
调查图5所示的有功、无功功率滞环比较器的滞环特性，可知：
值得注意的是，Hq的大小可影响逆变器谐波电流、均匀开关频率和功率盯梢才能，可知有功、无功功率的滞环宽度很重要。
(4)开关矢量表的构成。Sa、Sb、Sc的取值构成了一个开关表，代表着体系所需的开关状况，然后驱动逆变器的开关动作，根本电压矢量U0～U7对瞬时功率改变的影响不同。为了可以挑选合理的电压矢量，可以依据功率差错的值来判别电压矢量对瞬时有功功率和无功功率的影响。依据三相沟通电压矢量的方位和滞环比较器的输出信号来界说开关表，已知根本电压矢量，也就已知开关状况Sa、Sb、Sc，而输出电压矢量U由Sa、Sb、Sc及udc决议。剖析考虑输出电感等效电阻三相电压型变流器主回路，可得
式(5)中，当i(0)=i，当Ur挑选U6(101)时，i将沿着U-Ur方向趋近ir，则确认SaSbSc=101，i在其他方位相同剖析，得到开关表如表1所示。其间，设置的零空间矢量是为了削减开关通断次数。
表1列出了输出电压矢量U处于不同的扇区方位和不同的Sp、Sq时开关动作，如表1所示。
3 体系仿真
为验证体系运转的安稳性和操控战略的正确性，在Matlab/Simulink仿真环境下树立了输出功率为10 kW的风电体系仿真模型，其间，机侧整流器选用双闭环操控战略来坚持直流电压的安稳，然后作为网侧逆变器的直流输入电压。网侧逆变器选用功率环进行单环操控，将输入的安稳直流电逆变成可以满意并网要求的沟通电，下面临机侧整流器和网侧逆变器别离进行仿真剖析。体系仿真参数如下：输出功率为10 kW;电网的输出线电压为380 V;也即相电压220 V;电源频率f=50 Hz;电感L=4 mH;等效电阻R=0.1 Ω;%&&&&&%C=4700μF;负载电阻RL=36 Ω;直流母线电压udcr=600 V。
3.1 机侧整流器仿真剖析
发电机宣布的沟通电首要经过整流变成直流电，为安稳直流侧电压选用电压外环、功率内环的双闭环操控战略，树立依据直接功率操控的机侧整流器仿真模型如图7所示。
由图8可知，相电压和相电流同相，处于单位功率因数的整流状况，具有较快的动态呼应。由图9可知，直接电压安稳在给定参阅值，具有较强的抗负载扰动才能，整流作用杰出。
3.2 网侧逆变器仿真剖析
树立依据直接功率操控的网侧逆变器仿真模型，如图10所示。
仿真得到网侧相电压、电流波形，由图11所示，可知电网侧电压和电流的相位是相反的，逆变器很好地作业于向电网传输电能有源逆变的状况，然后对单相电流进行一个周期内的THD剖析波形如图12所示，相电流波形挨近于正弦波，THD=3.20%谐波重量较低，可满意并网要求。瞬时有功功率和无功功率值如图13所示，瞬时有功功率在10 kW邻近动摇，瞬时无功功率在0值邻近，调理才能强、动摇小可以较好地盯梢给定值。
4 结束语
本文经过挑选“背靠背”变流拓扑结构和选用直接功率操控战略进一步提高风电体系的并网作用。选用的网侧逆变器和电机侧整流器可以独自进行剖析和研讨，依据仿真可知，依据直接功率操控战略的变流器可以完成单位功率因数并网、网侧电流波形挨近正弦波、谐波畸变小、直流电压可以坚持安稳;选用直接功率操控战略的风电体系具有呼应快、安稳性好、结构简略的长处。进步了电能质量和电网的安稳性，而且双侧电路的规划和操控办法相似易于DSP进行数字化操控，对风力发电技能的开展供给了参阅。
