多风轮中压风电系统实验平台建设_李梁冉.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 11 期 2023 年 11 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.11 Nov.2023 收稿日期:2023-07-24 基金项目:山东省自然科学基金面上项目（ZR2020ME197）；青岛市科技计划关键技术攻关及产业化示范类项目（23-1-4-xxgg-5-gx）作者简介:李梁冉（1998），男，山东青岛，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电，。通信作者:由蕤（1984），男，山东青岛，博士，教授，主要研究方向为新能源发电，。引文格式:李梁冉，由蕤，柴建云.多风轮中压风电系统实验平台建设J.实验技术与管理,2023,40(11):161-167.Cite this article:LI L R,YOU R,CHAI J Y.Construction of the multi-rotor medium-voltage wind turbine system experimental platformJ.Experimental Technology and Management,2023,40(11):161-167.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.11.024 多风轮中压风电系统实验平台建设 李梁冉1，由 蕤1，柴建云2（1.青岛大学 电气工程学院，山东 青岛 266071；2.清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100084）摘 要：针对风电系统单机容量不断提升带来的问题，如风轮尺寸过大、运输和安装困难，使用升压变压器造成系统成本高和可靠性低等，该文设计了一种多风轮中压风电系统并搭建实验平台进行验证。该文首先介绍了多风轮中压风电系统的传动链结构和变流器拓扑，提出机侧有源整流器和网侧 H 桥逆变器的控制方法；然后搭建系统仿真模型并基于仿真结果搭建实验平台，验证了多风轮中压风电系统的可行性和控制方法的有效性。综合实验平台包含硬件及各类软件，可用于电力电子多电平变流器的教学。关键词：风力发电；多风轮；中压变流器；最大功率跟踪 中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)11-0161-07 Construction of the multi-rotor medium-voltage wind turbine system experimental platform LI Liangran1,YOU Rui1,CHAI Jianyun2(1.College of Electrical Engineering,Qingdao University,Qingdao 266071,China;2.Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:In response to the issues caused by the continuous increase in the capacity of wind power systems,such as the difficulties in transportation and installation due to oversized turbine dimensions,high system costs and low reliability caused by the use of step-up transformers,this paper designs a multi-rotor medium-voltage wind power system and builds an experimental platform for verification.Firstly,the wind turbine drive train structure and the converter topology are introduced.The generator-side active rectifier and the grid-side cascaded H-bridge inverter control methods are proposed.Then the system simulation model is built,and an experimental platform is also built based on simulation results.The feasibility of the wind turbine system and the effectiveness of the control methods proposed are experimentally validated.The comprehensive experimental platform is composed of both hardware and various software,and it can be used for the power electronic multilevel converter teaching.Key words:wind power generation;multi-rotor;medium-voltage converter;maximum power tracking 风力发电是新能源发电技术中较为成熟和开发规模较大的一种技术，在相同的装机规模下，风电机组的单机容量越大，所需安装的风机台数越少，可有效减少风电场占地面积1-3。因此，使用单机容量为1020 MW 的大功率风电机组逐渐成为主流趋势4-6。随着风电系统单机容量的增加，风轮尺寸越来越大。然而，风轮的重量和成本增加速度高于风轮捕获功率的增加速度，若风机的单机容量达兆瓦甚至更高，会对风轮的成本、运输、安装和塔筒载荷等提出严峻挑战7-9。永磁直驱型风电机组采用风轮直接驱动多极162 实 验 技 术 与 管 理 永磁同步发电机（permanent magnetic synchronous generator,PMSG），与双馈型风电系统相比，该系统具有传动链结构简单、效率高、维护成本低、可靠性高等优势10-12。然而，随着风电系统单机容量的增加，多极 PMSG 尺寸和重量增加，限制了该系统的应用。当前的风电系统均采用 690 V 的并网电压，再经升压变压器接入中压电网，当单机容量增至 10 MW 时，额定输出电流高达 8 367 A，该电流从机舱传输至塔基的过程中，会造成传输电缆上较高的电压降落和损耗13-15。针对上述问题，本文设计了一种基于模块化多电平变流器的多风轮中压风电系统，采用多组风轮驱动各 PMSG，经交流/直流/交流（AC/DC/AC）变换器直接接入中压电网。基于系统拓扑结构的特殊性，本文还提出机侧变流器和网侧变流器的控制策略，设计并搭建了 10 kW 的实验平台，旨在验证多风轮中压风电系统的拓扑结构、最大限度捕获风能，以及容错运行的可行性和有效性。该实验平台包括硬件和软件两部分。硬件部分由多绕组变压器、有源整流器和级联H桥逆变器等组成。软件部分使用 MATLAB/Simulink 仿真，使用 DSP+FPGA 架构实现控制策略。其中，DSP 用于实现控制算法并下发控制指令，FPGA 用于产生控制开关管的脉冲信号。1 多风轮风电系统 1.1 现有多风轮风电系统拓扑 单组风轮方案会限制单机容量的上限，为解决该问题，本文使用永磁直驱的传动链结构并提出了多风轮风电系统。该系统使用多组小风轮取代一组大风轮，并将其安装在同一塔筒上，图 1(a)展示了仅有一组风轮的 14 MW 常规单风轮风电系统，图 1(b)展示了 7组 2 MW 小风轮且具有相同容量的风电系统。多风轮风电系统具有风轮重量更轻、捕获风能更大、运输和安装成本更低等特点，受到越来越多的关注16。丹麦科技大学 Ris 校区的多风轮风力发电系统 4R-V29由 Vestas 公司建造，现场实测数据表明：在额定风速下，与相同容量的单风轮风电系统相比，该系统的捕获风能增加了 1.8%，年发电量提高了 1.5%17。改进系统控制策略可有效降低疲劳载荷，使用多风轮方案会减小每组风轮捕获的功率，同时也可以继续使用PMSG 和无齿轮箱的传动链结构，因此在超大单机容量风电系统的应用场合，多风轮风电系统在发电量、风轮参数、发电机类型和传动链选择等方面具有显著优势18。图 1 多风轮风力发电系统示意图 多风轮风电系统使用永磁直驱结构，并且可以采用交流侧并联和直流侧并联两种方式实现并网发电运行。多风轮系统虽然可以解决风能捕获、转换环节制约风机单机容量增加的问题，但仍存在低并网电压等级（690 V）下大电流引起的高损耗等问题。1.2 多风轮中压风电系统拓扑 为了解决低压并网风电系统的大电流问题，可采用中压逆变器直接并网的方案，无需使用升压变压器，该方案可以降低并网电流、传输电缆成本和能量损耗，并提高整个系统的可靠性。因此，本文提出了基于模块化多电平变流器的多风轮中压风电系统，结构如图 2所示，风电系统的每个模块均包括风轮、PMSG、有源整流器、直流母线和 H 桥逆变器。其中，风轮直接驱动 PMSG，再通过有源整流器连接至直流母线；多个 H 桥逆变器级联后，通过滤波电感直接接入中压电网。该系统具有结构简单、成本低、可靠性高、可容错运行等特点，且易于向更高单机功率等级和并网电压等级扩展。图 2 多风轮中压风电系统结构 李梁冉，等：多风轮中压风电系统实验平台建设 163 2 机侧有源整流器控制策略 为了实现风电系统捕获风能最大化，各有源整流器独立实施最大功率跟踪控制，机侧有源整流器控制流程如图 3 所示。首先，根据滤波后的风轮转速和最优机械特性曲线求得施加给 PMSG 的电磁转矩指令Tref，进一步求得转矩电流指令 itref，将该指令与实际定子电流转矩分量 it相减，并通过 PI 调节器计算有源整流器输出电压转矩分量 ut，同理也可获得有源整流器输出电压励磁分量 um；然后，使用 Park 逆变换得到有源整流器的三相输出电压目标值 u1a、u1b和 u1c；最后，使用空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation，SVPWM）求得各绝缘栅双极晶体管（insulate-gate bipolar transistor，IGBT）门极控制信号。图 3 机侧有源整流器控制流程 3 网侧级联 H 桥逆变器控制策略 3.1 H 桥逆变器控制 级联 H 桥逆变器用于控制所有直流母线的电压，使其稳定在额定值附近，并实现对并网电流的解耦控制，其控制流程如图 4 所示。假设每相有 n 个模块，计算 3n个直流母线电压平均值与额定电压 Udc_ref的差值，使用 PI 调节器计算并网电流有功分量目标值 idref，并网电流无功分量的目标值 iqref设为 0，或根据风电系统输出无功功率指令计算；结合三相电网电压并使用锁相环（phase locked loop,PLL）获取电压相角，使用 Park 变换将三相并网电流转换为并网电流有功分量 id和无功分量 iq；然后，根据并网电流有功分量目标值和实际值、无功分量目标值和实际值，分别使用 PI 调节器计算逆变器输出电压有功分量和无功分量的目标值，再利用 Park 逆变换将其转换为三相静止坐标系下的逆变器三相输出电压目标初值 ua、ub和 uc，将各相输出电压目标初值除以 n 即可得到各 H 桥逆变器输出电压的目标初值。由于同一相中各 H 桥逆变器的电流相同，为了在各模块传输功率不同时维持所有直流母线电压的稳定，各 H 桥逆变器输出电压需要控制为不同值。在整个电压控制环中，已实现了所有 3n 个直流母线电压之 和稳定在 3nUdc_ref的目标，如果选取 3n-1 个直流母线电压，并将其均稳定在 Udc_ref，则可实现所有 3n 个直流母线电压稳定在额定值 Udc_ref。以 a 相为例，第 2至第 n 个模块直流母线电压 Udc_a2、Udc_a3、Udc_an分别与 Udc_ref相减，由各自 PI 调节器可得出输出电压的调节系数，然后将该调节系数分别与 a 相中各 H 桥逆变器的输出电压目标初值相乘，从而求得各 H 桥逆变器的输出电压目标值。在 b 相和 c 相中，控制方法与 a 相类似，唯一不同的是所有模块（即第 1 至第 n个模块）均通过 PI 调节器求得调节系数并对输出电压进行调节。最后，使用载波移相正弦脉宽调制（phase-shift sinusoidal pulse width modulation,PS-SPWM）得到所有 3n 个 H 桥逆变器中 IGBT 的门极控制信号。当某一模块中的发电机和变流器等部件发生故障时，该模块将被旁路，但仍可采用上述方法稳定直流母线的电压并实现并网电流的解耦控制。唯一的区别是，只利用正常运行模块的直流母线电压计算电压平均值并进行闭环控制。例如，如果 a 相第 1 个模块发生故障，将从剩下的 3n-1 个正常运行模块任意选取一个，其电压目标值的计算方法与上述 a 相第 1 个模块中的 H 桥逆变器输出电压目标值相同，即不计算该模块的电压调节系数或认为其电压调节系数为 1。164 实 验 技 术 与 管 理 图 4 级联 H 桥逆变器控制流程 3.2 电流不平衡补偿 整个系统捕获风功率的最大化引起了三相传输功率的不平衡，并带来了三相并网电流的不平衡风险，因此在级联 H 桥逆变器的三相输出电压目标初值 ua、ub和 uc上叠加零序电压，使最终三相输出电压目标值与三相不平衡的传输功率成正比，从而实现三相传输功率不平衡时三相并网电流的平衡，级联 H 桥逆变器三相输出电压目标值的计算如图 5 所示。其中，ra、rb和 rc为各相有功功率不平衡率；u0为零序电压；Pavg为三相平均功率；Pa、Pb和 Pc为三相输入功率，分别对应各相中所有 PMSG 输出有功功率之和。图 5 级联 H 桥逆变器三相输出电压目标值求取 根据滤波后的电机转速 filt和电磁转矩指令值Tref求得 filti refifilti refifilti refi111abc ,nnniiiTTTPPPnnn=（1）Pavg、ra、rb和rc可表示为 abcavg+3PPPP=（2）avgavgavgabcabc ,PPPrrrPPP=（3）u0和级联H桥逆变器三相输出电压目标值可表示为 0a ab bc ca ab bc c1max(,)min(,)2ur ur ur ur ur ur u=+（4）a_refa0b_refb0c_refc0,uuuuuuuuu=-=-=-（5）4 实验验证 4.1 实验平台 为了验证多风轮中压风电系统的可行性和控制策略的有效性，本文搭建了一个10 kW的实验平台，其拓扑结构如图6所示。每相包含3个模块，每个模块由 两 个PM25RL1A120型 背 靠 背 智 能 功 率 模 块（intelligent power module，IPM）构成，输入侧的IPM为有源整流器，可模拟与PMSG相连的有源整流器的功率输出，在输出侧的IPM中任选两个桥臂构成H桥逆变器，与同一相中其他模块的H桥逆变器级联构成级联H桥逆变器。三相380 V市电连接输入侧调压器的高压侧，而调压器的低压侧与多绕组隔离变压器的原边绕组相连，各副边绕组为输入侧9个IPM提供电源，级联H桥逆变器经滤波电感连接并网侧调压器的低压侧，多风轮中压风电系统实验平台如图7所示。四套控制板均使用DSP+FPGA架构，同一相的三台有源整流器和级联H桥逆变器各由一套控制板实现控制。由DSP完成控制算法实现，FPGA接收控制指令后产生IGBT的控制信号。直流母线电容均为470 F，并网侧滤波电感为2.5 mH，并网侧调压器低压侧相电压幅值为120 V，输入侧调压器低压侧相电 李梁冉，等：多风轮中压风电系统实验平台建设 165 压幅值为20 V。除a相第3个模块外，其余8个模块均进行直流母线电压闭环控制。分别在两种工况下运行该系统：工况1，所有模块均以最大功率跟踪运行，各模块输入功率相同，均控制为120 W；工况2，b相第1个模块被旁路，先停止电流不平衡补偿控制，再注入零序电压。4.2 并网电流解耦控制验证 在工况1中，当并网电流无功分量目标值iqref为0时，图8(a)展示了电网线电压uab（a、b相间）、级联H桥逆变器a相输出电压ua和a相输出电流ia，可知级联H桥逆变器a相输出电压为七电平，与a相输出电流同相，滞后电网线电压uab（a、b相间）/6，表明该系统保持了单位功率因数运行。当并网电流无功分量目标值iqref为6A时，图8(b)展示了电网线电压uab（a、b相间）、级联H桥逆变器a相输出电压ua和a相输出电流ia，可知由于并网电流无功分量目标值与有功分量目标值相同，级联H桥逆变器a相输出电流比a相输出电压超前/4，从而验证了该系统并网电流解耦控制的有效性。图 6 多风轮中压风电系统实验平台拓扑结构 图 7 多风轮中压风电系统实验平台 图 8 电网 a、b 相间线电压、级联 H 桥逆变器 a 相输出电压和电流 166 实 验 技 术 与 管 理 4.3 容错运行验证 工况2下，图9展示了级联H桥逆变器三相输出电流，图10展示了b相和c相的输出电压，可知当b相的第1个模块被旁路时，该相输出电压从七电平变为五电平，导致并网电流出现不平衡。然而，在注入零序电压后，实现了三相并网电流的平衡输出，验证了该系统在某一模块因故障被旁路后仍能保持正常运行，并保持三相平衡并网电流输出。图 9 级联 H 桥逆变器三相输出电流 图 10 级联 H 桥逆变器 b 相和 c 相输出电压 4.4 直流母线电压稳定验证 在工况2中，图11展示了a相第1和3个模块中的直流母线电压，可知零序电压的注入导致直流母线 图 11 a 相第 1 个和第 3 个模块中直流母线电压 电压的改变，在a相第1个模块中应用电压调节系数，可使直流母线电压快速稳定在50 V，虽然a相第3个模块的直流母线电压没有进行主动闭环控制，但所有正常运行的模块直流母线电压之和，以及其他7个模块中直流母线电压各自的闭环控制，也使其最终稳定在50 V。5 结语 本文设计了一个多风轮中压风电系统实验平台，弥补了多电平变流器教学体系中实验平台缺乏的不足。实验平台采用多绕组变压器为各有源整流器供电，并经直流母线连接各H桥逆变器。同一相中H桥逆变器级联后并网，实现了并网电流的解耦控制、各直流母线电压的稳定和容错运行控制。该平台的设计旨在通过分析多风轮中压风电系统的模块化多电平变流器，提高学生的电路分析能力；通过研究机侧有源整流器和级联H桥逆变器控制策略，提高学生对风电系统能量变换和解耦控制的认识；通过搭建实验平台并测量并网电流和直流母线电压，锻炼学生的动手实践能力。该实验平台融合了电路、电力传动、电力电子等多门基础课的理论知识，通过理论分析、仿真验证、实验验证等途径帮助学生解决实际工程问题，提高学生的创新和实践能力。参考文献(References)1 李文娟，张琦，马亮亮.双馈风电机组并网运行仿真实验J.实验技术与管理，2019,36(11):9498.LI W J,ZHANG Q,MA L L.Simulation experiment of grid-connected operation of doubly-fed wind turbineJ.Experimental Technology and Management,2019,36(11):9498.(in Chinese)2 朱高嘉，刘晓明，李龙女，等.永磁风力发电机风冷结构设计与分析J.电工技术学报,2019,34(5):946953.ZHU G J,LIU X M,LI L N,et al.Design and analysis of the ventilation structure for a permanent magnet wind generatorJ.Transactions of China Electrotechnical Society,2019,34(5):946953.(in Chinese)3 王玉彬，朱新凯，程明.海上风力发电用静态密封双定子高温超导发电机的样机研制与测试J.中国电机工程学报，2021,41(23):8148-8159.WANG Y B,ZHU X K,CHENG M.Development and test of prototype of dual-stator HTS offshore wind generator 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