低并网电流谐波的直驱永磁风力发电系统研究

　　摘 要：基于直驱永磁同步发电机(PMSG)的变速恒频风力发电系统由于其效率高，结构简单，成为了风力发电技术的发展趋势和研究热点。本文对基于双PWM 并网变流器的永磁同步发电系统进行了建模、分析并设计了相应的控制策略，为了减少并网电流的谐波含量，本文提出了基于比例多谐振控制器的并网电流控制策略。最后对风力发电系统进行了仿真，并搭建了实验平台。仿真和实验结果验证了所提出的风力发电控制系统有效性和比例多谐振电流控制器在并网电流控制上的优越性。
　　关键词：风力发电，永磁直驱，并网谐波抑制，多谐振控制器
　　1.引言
　　风力发电作为一种清洁的、可再生的新能源发电技术，受到了越来越多的重视。变速恒频风力发电相对于定转速风力发电而言具有更高的风能转换效率和并网电能质量，但是会受到高故障率和高维修成本的齿轮箱的困扰。永磁直驱同步发电由于其较高的能量转换效率和可靠性，以及省去了故障率高的升速齿轮箱而成为当前风电技术研究的热点[1]。
　　永磁同步电机在转子侧采用永磁材料，能提供恒定的气隙磁场，定子电流仅需要提供转矩分量，因此永磁同步电机能够工作在更高的功率因素下,减少了变流器容量。在直驱永磁发电系统中，一种较常见的拓扑结构是通过双PWM 变流器连接到电网，从而能对系统的全部并网功率进行控制，随着风力发电所占比例越来越大，考虑到风力机组低压跨失的能力，基于全功率变换器的直驱永磁风力发电相对于双馈风力发电将越来越受欢迎。永磁风力发电系统的性能不仅取决于永磁电机，而且取决于永磁同步发电系统的控制，相关文献[2]-[5]对永磁直驱风力发电技术进行了研究。
　　在文献[3]中，提出了一种通过二极管整流加斩波电路的永磁同步发电机控制策略，在这种控制方案中，电机侧的功率因素较低，谐波电流大，极大地影响发电机的效率，同时谐波电流将引起电机的转矩波动及机械磨损，降低了电机的寿命。在文献[4]中，提出了基于PI控制器的永磁直驱电机双PWM 控制策略，但未对变速恒频发电中比较重要的MPPT 算法进行实验研究。文献[5]对单相并网逆变器的PR控制策略进行了研究，研究表明PR 控制器相对于传统PI 控制器相比具有更好的抗扰性能。本文提出一种永磁直驱风力发电系统的控制方案，对其机、网侧变流器进行建模并提出相应的控制策略。对于并网电流谐波抑制问题，提出一种比例多谐振控制器的并网电流控制方案，同时简单介绍了模拟风机部分的实现方案，最后搭建实验平台，对整个风力发电系统进行了实验验证。
　　2.永磁直驱发电系统的分析及控制