直驱型变速恒频风力发电系统中零序环流的研究

(2009) 27-0099-07 中图分类号：TM 315 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40 文章编号：0258-8013

直驱型变速恒频风力发电系统中零序环流的研究

胡维昊1，王跃1，姚为正2，王兆安1

(1．西安交通大学电气工程学院，陕西省 西安市 710049； 2．上海理工大学计算机与电气工程学院，上海市 杨浦区 200093)

Zero-sequence Current in Direct Drive Variable-speed Constant-frequency

Wind Energy Conversion Systems

HU Wei-hao1, WANG Yue1, YAO Wei-zheng2, WANG Zhao-an1

(1. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China; 2. School of Computer and

Electrical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Yangpu District, Shanghai 200093, China) ABSTRACT: A high power direct-drive variable-speed constant-frequency wind energy conversion system based on multi-phase permanent magnet synchronous generator (PMSG) was researched. The configurations of wind energy conversion systems which are suitable for high power direct-drive wind energy conversion systems were introduced. In order to reduce the current of each insulated gate bipolar transistor (IGBT) and reduce the harmonic current to the grid, a multiple AC-DC-AC converter was used. But zero-sequence circulating currents in the parallel multiple converters increase the loss of the power semiconductor. In the paper, the mathematic model of zero- sequence current was educed and the reason of zero-sequence current was analyzed. A zero-sequence current control strategy based on o-axis current feedback control was proposed. The control strategy does not change the topologies of the circuit. It is easy to implement and modular design. It is suitable for the mutiple converters based on traditional sinusoidal pulse width modulation (SPWM). Simulation and experimental results prove that the proposed method could control the zero- sequence circulating current to reduce the damage of the system.

KEY WORDS: wind power; permanent magnet synchronous generator; vector control; zero-sequence current; multiple converter

摘要：对采用多相永磁同步发电机的大功率直驱型变速恒频风力发电系统进行研究，介绍了适合于大功率直驱型风力发电系统的结构。系统采用了多重化的AC-DC-AC变换器，以减少每只绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)上的电流和流入电网的谐波电流，但并联多重化变换

基金项目：国家自然科学基金项目(50707025)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50707025)．

器中存在的零序环流会增加功率半导体器件损耗。推导了零序环流的数学模型，分析零序环流的产生原因，提出一种基于零轴电流反馈控制的零序环流控制策略。该控制策略不需要改变电路拓扑，算法实现简单，易于模块化的设计，且适用于基于传统正弦脉宽调制的多重化变换器的控制。仿真和实验结果表明，该方法能够很好地控制零序环流，减少对系统的损害。

关键词：风力发电；永磁同步发电机；矢量控制；零序电流；多重化变换器

0 引言

常规能源以煤、石油、天然气为主，它们不仅资源有限，而且会造成严重的环境污染。因此，对可再生能源的开发利用，特别是对风能的开发利由于采用多用，已经受到世界各国的高度重视[1-2]。极永磁同步发电机的风力发电系统具有无齿轮箱、功率密度高和容易控制等优点，该系统已经成为风力发电领域内的主流系统之一[3-4]。永磁直驱风力发电机组可以根据实际工况变速运行，不但提高了能量的转换效率，还能有效降低机组的机械应力。机组通过电网侧变换器可以实现有功、无功功率的解耦控制，提高电力系统的调节能力及稳定性。系统可以实现发电机与电网的柔性连接，简化并网操作[5]。所以，永磁直驱型变速恒频风力发电系统已经成为一研究热点。

随着风力发电单机容量不断增大，目前主流的机组均为兆瓦级或多兆瓦级，如何在低电压下实现大功率已成为一个急待解决的问题。采用多相永磁同步发电机和并联AC-DC-AC变换器的方案可以

100 中 国 电 机 工 程 学 报 第29卷

在低电压的情况下实现大功率，且电机的每相电流和流过每个绝缘栅双极晶体管的电流都较小，提高了系统的可靠性。采用并联多重化技术还可以减少流入电网电流的开关纹波[6]，所以滤波电感和滤波电容都能大幅度的减小，能更好的满足风力发电的并网标准[7]。但当变换器采用并联多重化技术以后，由于每个变换器参数不完全一样，就会产生一个只流过变换器功率开关器件而不流入电网的电流，称为零序环流。这个环流的存在会增加流过功率开关器件的电流，增加整个变换器的损耗，严重时还可能烧毁变换器。国内外学者在这方面已经做了大量工作，提出了许多方法。文献[8]将变换器的直流侧完全分开，实现了零序环流的抑制；文献[9-11]通过多绕组变压器在变换器的交流侧实现了电气隔离，抑制了零序环流。但上述方法均需要添加额外的电气元件，增加了系统成本，且变换器隔离后将无法发挥多重化技术的优势。文献[12]提出了将2个并联的三相变换器视为一个六相变换器进行控制，这样能够很好地抑制零序环流，但是该方法需将2个并联变换器做统一控制，不适合模块化设计。文献[13-14]分析了在应用空间矢量调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)时，由于使用了离散空间电压矢量而产生的零序环流，提出了采用“变零电压矢量”的控制方案，该方法能有效抑制零序环流，易于模块化的设计，但实现比较复杂。上述研究都没有提出一种算法简单，适用于传统正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)的零序环流抑制方法。

本文首先研究了电网侧变换器在旋转坐标系下的数学模型和基本控制策略，在此基础上，推导了零序环流的数学模型，分析了零序环流的产生原因，提出一种适用于传统SPWM的零序环流控制策略，该方法不需要改变电路拓扑，算法实现简单，易于模块化的设计。仿真和实验都表明，采用并联多重化技术可以减少流入电网的谐波电流，满足风力发电的并网标准。文中提出的零序环流控制策略能够有效降低系统中的零序环流，保证了系统安全稳定的运行。该控制策略不仅适用于直驱式风力发电的网侧变流器并联控制，而且也可以用于其它系统的变流器并联控制，如静止无功发生器(static var generator，SVG)等。

1 直驱型风力发电系统的结构和特点

永磁直驱型变速恒频风力发电系统的结构如

图1所示。该系统由风车、六相永磁同步发电机、电机侧变换器、电网侧变换器和LC滤波器组成。风车负责捕获风能，发电机负责将风能转换为电能，电力电子变换器将发电机发出的电能转换为高质量的电能送入电网。同时，电力电子装置还要对发电机的工作状态进行控制。电机侧变换器和电网侧变换器均采用适合大功率系统的并联二重化结构。多重化技术能够减少每个变换器的电流，提高系统的可靠性，还可以减少输出电流的开关纹波，使得滤波电感和滤波电容都能大幅度减小。电机侧变换器实现对永磁同步发电机的调速控制和最大功率跟踪控制；电网侧变换器实现直流环节电压和交流侧单位功率因数控制，同时还必须对流入电网的谐波电流进行控制，使其满足风力发电的并网标准。

电机侧放电电网侧 变换器回路变换器 风车永磁变压器10 kV电机电网

图1 直驱型风力发电系统结构图

Fig. 1 Sructure of direct drive wind energy

conversion system

2 单个电网侧变换器的数学模型和控制策略

单个三相变换器的理想开关模型如图2所示。图中p、n分别为直流侧正、负母线。功率器件的开关函数[15-16]定义如下：

s=⎧⎪⎨1 上桥臂导通，下桥臂关断⎪ ⎩0

上桥臂关断，下桥臂导通 (1)

p idc − sa ~+ uANLia+uN

− s

b ~+ uBNibuauCRudc− ~+ uib CNcsc − uc n ref(0)

图2 三相变换器的理想开关模型

Fig. 2 Ideal switch model of 3-phase converter

取直流母线的负端为电压参考点，根据基尔霍夫电压电流定律可以得到三相变换器的开关函数模型：

iTdc=[sa sb sc][ia ib ic] (2)

第27期 胡维昊等： 直驱型变速恒频风力发电系统中零序环流的研究 101

[uTTa ub uc]=[sa sb sc]udc (3) d⎡⎢ia⎤⎢⎥1⎡u+uN⎤⎡ua⎤dtb=⎢ANiu1BN+uN⎥⎣i⎥L⎢

⎥−⎢L⎢ub⎥⎥ (4)

c⎦⎣uCN+uN⎦⎣uc⎦

dudcdt=1Ciu

dcdc−RC

(5) 式中：udc、idc分别为直流侧的电压、电流；R、C分别为直流侧的电阻、电容；L为交流侧的滤波电感；ua、ub、uc分别为变换器交流侧A相、B相、C相电压；ia、ib、ic分别为变换器交流侧A相、B相、C相电流；sa、sb、sc分别为变换器 A相、B相、C相的开关函数；uAN、uBN、uCN分别为电网A相、B相、C相电压；uN为电网中点相对于参考点的电压。

对电压和电流取其平均值可得：

⎧⎪⎨

saia=daia

(6) ⎪⎩saudc=daudc

式中da为桥臂a开关的占空比。

将式(6)代入式(2)~(5)可以得到三相变换器的平均模型如下：

d⎡⎢ia⎤⎥1⎡⎢uAN⎤⎥⎡uN⎤⎡da⎤dt⎢ib=uBN+1⎢u⎥⎢⎥⎣iL⎢c⎥⎦⎢⎥L⎢N⎥−1⎢⎦L⎢d⎥b⎥udc (7) ⎣uCN⎥⎦⎢⎣uN⎥⎢⎣dc⎥⎦dudcdt=1C[ddTuabdc][iaibic]−dcRC

(8) 为便于线性化分析和设计电网侧变换器的控制系统，将静止坐标系(abc坐标系)下的三相变换器的平均模型转换到同步旋转坐标系(dqo坐标系)的平均模型，其转换矩阵[17-18]为

⎡

⎡⎢φcosθcos(θ−23π)cos(+23π)⎤d⎤⎢θ⎥⎥⎡⎢φ⎥2⎢⎢φa⎤

⎥q⎥=3⎢−sinθ−sin(θ−2π)−sin(θ+2π)⎥⋅⎢φb⎢⎥(9)

⎣φ⎢o⎥⎦⎢33⎥⎣1/21/21/2⎥⎢⎣φc⎥⎦

⎦

式中：θ为电压矢量的角度；φ代表电压或电流。三相变换器在dqo旋转坐标系下的平均模型如下：

d⎡⎡⎢id⎤⎡ud⎤

0⎤⎡dt⎢i⎥q=1⎢u⎥+1⎢0⎥−⎢0−ω0⎤⎡id⎤ω0⎥⎢i⎥− ⎢⎥⎣iL⎢q⎥L⎢o⎦⎥⎢⎣uo⎥⎦⎢⎥⎣3u⎥⎢0N⎦⎢000⎥⎢q⎥⎣⎥⎦⎢⎣io⎥⎦

1⎡⎢dd⎤L⎢d⎥

qudc (10) ⎢d⎥⎣o⎥⎦

dudcdt=1C[duddqdo][idiqio]T−dcRC

(11) 式中：id、iq、io分别为电流的d轴、q轴、o轴分量；ud、uq、uo分别为电网电压的d轴、q轴、

o轴分量；dd、dq、do分别为变换器占空比的d轴、q轴、o轴分量。

根据式(10)、(11)，单个三相变换器的等效电路如图3所示。单个三相变换器在同步旋转坐标系下的模型存在d轴和q轴上都含有交叉耦合项，即等效电路中的电流控制电压源。对单个三相变换器来说，o轴等效电路是开路的，系统不存在零序环流的通道。所以，单个三相变换器一般不对o轴的电流进行控制。

根据单个三相变换器在同步旋转坐标系下的数学模型，设计其控制系统框图如图4所示。图中

i***d为有功电流指令，iq为无功电流指令，udc为直流

侧电压指令，Q为无功功率指令。系统采用双闭环控制，即电压外环和电流内环。电压外环的目是维

持稳定的直流母线电压，以减少直流电压的波动对网侧电流的干扰。为实现直流电压的稳态无差，外环采用PI调节器。对于内环，其作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，实现单位功率因数正弦波电流控制。首先由外环调节器输出的指令电流值与实际检测的电网电流作差，然后再经由电流内环控制器和电网电压锁相环信号得到网侧

iLωLiqd− + ud+− +− ddudc

idc iωLidqL− + + udc

++Ruq− dC− qudc ddid dqiq doio −

ref(0)ioLuo+3uN+− doudc

图3 三相变换器的等效电路

Fig. 3 Equivalent circuit of 3-phase converter

id

iqidabc/dqudc

*

+ id*+− − PIPIdqo/PWM ia ib icAudciq*+ PIabc发生 B− 器 C电网Qiq1/uubucdθ uaudc 锁相环udθ 图4 三相变换器的控制系统框图

Fig. 4 Block diagram of control system of

3-phase converter

102 中 国 电 机 工 程 学 报 第29卷

输出电压指令信号。

3 并联电网侧变换器的数学模型和控制策略

采用并联电网侧变换器可以在低电压的情况下实现大功率，且流过每个开关器件的电流都比较小，提高了系统的可靠性。采用并联多重化技术还可以提高系统的等效开关频率，减少流入电网的谐波电流，使系统能更好地满足风力发电的并网 标准。

并联电网侧三相变换器的建模过程和单个三相变换器的建模过程完全一样。并联电网侧三相变换器的等效电路如图5所示。并联三相变换器在同步旋转坐标系下的模型不仅存在d轴和q轴上的交叉耦合项，2个三相变换器也耦合在一起。在单个三相变换器等效电路中开路的o轴等效电路也已经形成了回路，这个回路就为零序环流提供了通路。由于2个三相变流器参数的不一致性，且未对零序环流进行控制，导致2个变换器占空比的o轴分量不同，就会形成零序环流。零序电流只能

靠滤波电感来抑制，而滤波电感值一般来说都比较小，所以，很小的o轴电压偏差就能引起很大的零序环流。

根据并联三相变换器的等效电路，设计其控制系统框图如图6所示。系统在双闭环控制的基础上，采用了电网电压前馈，以提高系统的动态响应。如果电网出现某些故障(如三相短路、单相短路等)，会引起电网电压的大幅度跌落，此时直流母线电压会出现很大的超调，而直流电压的超调对于功率开关器件是非常危险的。加入电网电压前馈控制，可以很好地抑制直流母线电压波动。2个并联的变换器均分电流，通过2个PWM发生模块的载波移相180°来实现系统的多重化。为了控制零序环流，仿照d轴和q轴电流控制的原理，提出了o轴反馈控制。将o轴电流指令设置为0，检测每个变换器实际的o轴电流，将这2个电流的差经过PI调节器，然后将d轴、q轴和o轴电流调节器输出的信号作为PWM发生器的调制波来产生开关脉冲。

该控制策略实现简单，每个变换器相对独立，易于模块化设计。每个变换器模块的主电路和电流控制器的参数完全一致，且每个变换器模块的输入 都是上级控制器(直流电压反馈控制器、电网电压前馈控制器和无功功率计算器)的输出，即有功电流指 **令id和无功电流指令iq。另外，为了实现多重化以 减少进入电网的谐波电流，上级控制器还需要为每个变换器提供一个PWM载波同步时钟信号。若需 要在系统中加入一个新的变换器模块，仅需要略微调整上级控制器的参数即可。

id1iq1io1 abc/dqo ωL2iq2 + − + − dd2udc L2 id2 id1 L1 ωL1iq1 − + ud + − dd1udc+ − idc1+

udcCR− ref(0)ωL2id2 + − + − dq2udc L2 iq2 iq1 L1 ωL1id1 − + uq + − L2 io2 io1 L1 dq1udc+ − dd1id1 dq1iq1 do1io1idc2 + − do2udc uo+3uN do1udc+ − dd2id2 dq2iq2 do2io2

图5 并联三相变换器的等效电路

Fig. 5 Equivalent circuit of 3-phase parallel converters

− * id1 + − udc * udc + * * iq1 + − iq1 * + io1 − io1 id1 PIPIdqo/abcPWM发生器1ia1ib1ic1 PI + + id 1/2 A B 电网C ua ub uc PIud Kf iq * θ id2 PIPIdqo/abcudc锁相环 ud Q 1/ud 1/2 * id2 − + θ * iq2 + − iq2 * io2 PWM发生器2ia2ib2 ic2 + − io2 PIabc/dqo id2iq2io2

图6 电网侧并联三相变换器的控制系统框图

Fig. 6 Block diagram of control system of grid-side 3-phase parallel converters

第27期 胡维昊等： 直驱型变速恒频风力发电系统中零序环流的研究 103

4 仿真和实验研究

本文采用Matlab/Simulink仿真软件，仿真参数为：6相永磁同步发电机(690 V、2 MW)额定转速为15.5 r/min(58极对)，定子电阻为Rs=29 mΩ，定子电感为Ls=2.6 mH。直流侧电容C=15 mF，开关频率为2.5 kHz。为了模拟实际系统中变换器参数的分散性，2组电网侧变换器交流侧滤波电感分别为0.4、0.38 mH，开关死区时间分别为1、2 μs。

图7为并联多重化后单个三相变换器的电流和流入电网的电流，图中ia1为单个变换器的A相电流，ia为多重化后的A相电流，ik为谐波电流，i1为基波电流，k为谐波次数。从图中可以看出，多重化效果很明显，2.5 kHz频率(谐波次数为50次)附近的谐波已经完全抵消，也就是说并联二重化后系统的开关频率相当于5 kHz，流入电网电流的谐波畸变率(total harmonic distortion，THD)明显减少了。

图8为零序环流的控制效果图，图中ia1、ia2分别为2个变换器的A相电流，io1、io2分别为2个变换器的o轴电流。从图中可以看出，无零序环流控制时，相电流严重不平衡，系统存在很大的零序环

1 Ak/1 0 ai −1 2 A 1 k/ 0 a −i1 −2 0 10 20 30 40t/ms

(a) 电流波形

7 %THD=7.13% /5 )1i/ki3 (1 7 %=1.45% /5 THD)1i/ki3 (1 0 100 50 150 200k

图 7

(b) 电流的频谱分析 单个三相变换器的电流和流入电网的电流

Fig. 7 Current of 3-phase converter and

current to the grid

A

1ia1 k/ 2ai 0

i a2 ,1ai −1 0.2io1 io2 Ak/ 2oi0.0 ,1oi−0.2

02040 60t/ms

(a) 无零序环流控制

A

1

ia1 k

/ 2ai 0

ia2 ,1 ai −1 A0.2kio/ 20.0 1 io2 oi ,1oi−0.2

02040 60t/ms

(b) 有零序环流控制 图8 零序环流的控制效果

Fig. 8 Results of zero-sequence current control strategy

流；加入零序环流控制以后，相电流平衡度明显提高，系统几乎不存在零序环流。

根据上述原理制作了一台实验样机，其电路拓 扑如图1所示，采用直流电动机模拟风力机运行来拖动六相永磁同步发电机[19-20]，2个数字信号处理器(digital signal processor，DSP)分别控制电机侧变换器和电网侧变换器，实验系统参数如表1所示。

表1 实验样机参数

Tab. 1 Parameters of the prototype

参数 参数值 额定功率/kW 10

输入电压/V

380 输出电压/V

220

额定转速/(r/min) 300

极对数 10 同步电抗/Ω 9.451 永磁体磁链/Wb 0.928 滤波电感/mH 2 直流侧电容/μF 2 200 开关频率/kHz 5

开关死区时间/μs

10

智能功率模块 FUJI 7MBP75RA120 DSP型号

TI TMS320F2812

图9为电网侧变换器的稳态运行波形。从图中

可以看出，电网侧变换器的多重化效果十分明显，开关频率5 kHz附近的谐波已经几乎完全抵消掉了。二重化后系统的开关频率相当于10 kHz，这样可以大大减小进入电网的谐波电流，更好地满足风力发电系统的并网标准。

104 中 国 电 机 工 程 学 报 第29卷

) 格 ia1 /A0ia2 4( 2ai ,1 ai ,aiia t(10 ms/格) (a) 电网侧变换器输出电流

)格 /A 01 (1ai ia1 ,1ai )格 /Aia2 ia 04(ait(200 μs/格) (b) 电网侧变换器输出电流(放大图)

图9 电网侧变换器的稳态运行波形

Fig. 9 Steady state waveforms of grid-side converter

图10为零序环流控制实验波形。可以看出，不加入零序环流控制之前，系统存在较大的零序环

ia1 )格/A 02(ia2 2ai ,1ai )格/Aio1 01(2oi ,io 2 1oit(10 ms/格) (a) 无零序环流控制

)i 格a1 /A 02( i a2 2ai ,1ai )格/Aio1 01( 2oi ,i o2 1oit(10 ms/格) (b) 有零序环流控制

图10 零序环流控制实验波形 Fig. 10 Experimental waveforms of zero-sequence current control strategy

流，从A相电流和o轴电流波形上都可以看出这一点。零序环流导致2个变换器工作状态不对称，严重时会损坏功率器件。加入零序环流控制后，2个变换器工作状态几乎完全对称，2个变换器均分电流，o轴电流为0。

在电力电子装置中，半导体功率开关器件是最昂贵且最容易损坏的器件之一。所以，在实验研究中，为了更好的保护智能功率模块，上下桥臂的开关死区时间选得较长(10 μs)。由于死区时间较长且没有死区补偿控制，实际电流中含有较多的低次谐波，导致实际电流的波形畸变比较严重。但是，这些低次谐波不会影响该控制策略对零序电流的控制效果。当实验样机的保护功能逐步完善以后，可以进一步减小死区时间，以获得更好的电流波形。

5 结论

本文在分析了永磁直驱型变速恒频风力发电系统结构的基础上，研究了电网侧变换器在同步旋转坐标系下的数学模型和基本控制策略，推导了零序环流的数学模型，分析了零序环流的产生原因，提出一种适用于传统SPWM的零序环流控制策略。该方法不需要改变电路拓扑，算法实现简单，易于模块化的设计。仿真和实验都表明，采用并联多重化技术可以减少流入电网的谐波电流，满足风力发电的并网标准；文中提出的零序环流控制策略能够有效降低系统中的零序环流，保证了系统安全稳定的运行。

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Liu Qihui，He Yikang，Zhao Rende．Operation and control of AC- exited variable-speed constant-frequency wind power generation system[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23(1)：129-136(in Chinese)．

收稿日期：2009-07-25。 作者简介：

胡维昊(1982—)，男，博士研究生，研究方向为永磁直驱型变速恒频风力发电，huweihao@mail.xjtu.edu.cn；

王跃(1972—)，男，博士，副教授，研究方向

胡维昊为有源电力滤波器，变速恒频风力发电等；

姚为正(1968—)，男，博士，副教授，研究方向为电力电子及其在电力系统中的应用；

王兆安(1945—)，男，教授，博士生导师，研究方向为电能质量控制、开关及逆变电源、电力电子集成及工业自动化技术。

(编辑 李婧妍)