網(wǎng)側變流器用igbt作為開關器件，igbt為雙向開關管，所以網(wǎng)側變流器可做四象限變流器。當交流側輸入功率大于直流負載消耗的功率時，多余的功率會使直流母線電壓上升，反之則直流母線電壓下降。也就是說，直流母線電壓與變流器吸收的有功功率有關，因此調(diào)節(jié)d軸電流給定值i*d即可調(diào)節(jié)直流母線電壓。直流母線電壓會隨著負載的增大而降低，此時增大i*d使網(wǎng)側變流器工作在整流狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收更多的能量為直流母線電容充電，提高直流母線電壓，反之，則減小i*d是網(wǎng)側變流器工作在逆變狀態(tài)，直流母線電容向電網(wǎng)放電，降低直流母線電壓。在網(wǎng)側變流器四象限運行時，控制q軸電流給定值i*d可以控制網(wǎng)側變流器交流側輸出的功率因數(shù)，這就可以靈活控制網(wǎng)側變流器吸收的無功功率，作為永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側變流器，一般都需要網(wǎng)側變流器工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)下，這時只需把q軸電流給定值i*d設為0。

　　整個控制策略使用雙閉環(huán)控制結構，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。電壓環(huán)給定值i*dc與直流母線電壓udc進行比較，經(jīng)過pi調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，給出d軸電流給定量i*d。q軸電流給定量i*d由需要的功率因數(shù)決定，一般都需要單位功率因數(shù)輸出，則i*d給定為0。i*d、i*q與實際電流的dq軸分量進行比較，誤差經(jīng)pi調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后輸出ud、uq，再與各自的解耦補償項δud、δuq和電網(wǎng)電壓擾動前饋補償項ed、eq運算后得到網(wǎng)側變流器參考電壓給定值u*d、u*q，再經(jīng)過坐標變換得到兩相靜止坐標αβ軸系下的電壓分量u*α、u*β，最后送入svpwm發(fā)生器給出網(wǎng)側變流器各開關器件的驅動信號。

　　4 機側變流器控制策略

　　永磁直驅風力發(fā)電機有多種控制方式，本文采用有功功率和無功功率解耦控制的方式，可以靈活控制發(fā)電機發(fā)出的有功功率和無功功率。在dq軸系下，通常把代表無功量的d軸給定值設為0，使發(fā)電機全部輸出有功功率，并可進一步通過q軸給定值增加算法，比如最大風能跟蹤、功率給定控制等[6]。實際中的永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的風力機和發(fā)電機共軸，由于安全和技術的考慮風力機通常設計的轉速較慢，這就要求永磁同步發(fā)電機也得采用較慢的轉速，所以永磁同步風力發(fā)電機被設計成多對極，這就帶來另一個問題，級數(shù)過多使永磁同步風力發(fā)電機的軸徑增大，難于安裝光電碼盤，所以準確得到永磁同步發(fā)電機機轉子位置估計成為控制策略中的難點，本文采用了滑模算法對轉子位置進行估計，得到了良好的控制效果[6]。整個控制策略如圖3所示。

　　永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)機側控制策略需要采集發(fā)電機兩相電流的模擬量，把電機作為一個閉合節(jié)點看待，根據(jù)基爾霍夫電流定律，電機輸出交流電流ia+ib+ic=0從而可以對兩相電流進行重構，若已知電流ia和ib則可得到電流ic=-(ia+ib)。對三相電流進行三相坐標系到兩相靜止坐標系的clark變換，再進行兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的park變換，分解得到兩相旋轉dq軸系下的電流分量，關于坐標變換理論在很多文獻都有詳細描述，這里不再贅述[2][5]。變換后的dq軸系電流分量通過pi調(diào)節(jié)器得到需要給定的ud和uq分量，再經(jīng)過park反變換得到兩相靜止坐標系下需要給定的uα和uβ分量，最后送入svpwm發(fā)生器，得到機側變流器三相橋6個開關器件的開關信號。在park變換和park反變換的過程中需要使用電機轉子位置的電角度，本系統(tǒng)通過滑模觀測法得到轉子位置的電角度。

　　5 試驗及波形

　　為了對本文提出的永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略進行試驗驗證，本文設計并構建了一套完整的10kw永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)試驗平臺，其原理如圖4所示。為了模擬實際風力發(fā)電機由于風力大小引起的速度變化，試驗平臺采用了變頻器拖動15kw異步發(fā)電機通過齒輪箱降速帶動10kw永磁發(fā)電機發(fā)電，如圖5所示為平臺外觀。整個系統(tǒng)采用多cpu的主從式數(shù)字分布控制系統(tǒng)，主要設備包括變頻器、三相異步發(fā)電機、齒輪箱、永磁同步電機、用于觀測的轉矩轉速傳感器、背靠背式pwm變流器、網(wǎng)側lcl濾波器、變壓器、電壓電流傳感器等;控制系統(tǒng)有雙dsp結構的永磁直驅控制電路、對電壓電流采樣進行調(diào)理的調(diào)理電路、驅動igbt的驅動電路以及調(diào)試pc機與dsp控制電路的通信、人機接口等。

　　機側變流器和網(wǎng)側變流器分別使用dsp控制電路對其進行控制，如圖4所示，為敘述容易機側控制電路命名為dsp1，網(wǎng)側控制電路命名為dsp2，兩套dsp控制電路均使用ti公司生產(chǎn)的tms320lf2812芯片負責控制算法，用c語言編程，dsp輸出pwm控制信號控制igbt橋臂開通或關斷。試驗系統(tǒng)采樣使用lem公司的電壓電流傳感器。單獨調(diào)試網(wǎng)側變流器時，由于直流母線電容的存在，上電時不能使du/dt過大，造成電容損壞，所以試驗平臺增加了預充電電路，也可通過調(diào)壓器緩慢升高直流母線電壓達到同樣的效果，直流母線放電使用了制動電路。

　　試驗中首先對直流母線預充電以免造成沖擊，然后啟動網(wǎng)側控制程序，建立直流母線，再啟動機側控制程序，之后斷開直流負載，完成機側和網(wǎng)側變流器能量交換，試驗波形如圖6所示。圖6中直流母線電壓穩(wěn)定在450v，達到最低母線電壓要求，機側電壓和母線電壓檢測通過高壓差分探頭，連接到永磁電機三相輸出端和直流母線兩端。通過變頻器提高拖動三相異步電機轉速從而提高永磁同步發(fā)電機的轉速，隨著轉速提高逐漸加大發(fā)電輸出功率。當電機達到額定轉速時，電機側pwm電壓波形及輸出電流波形如圖6(a)。圖6(b)示出了發(fā)電機輸出滿功率時機側和網(wǎng)側電流波形，這里q軸電流給定為0，進行單位功率因數(shù)發(fā)電。電流探頭選擇100mv/a的檔位，從圖6中可以看出電機側及電網(wǎng)側變流器電流控制良好。

　　6 結束語

　　本文對永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)機側變流器和網(wǎng)側變流器的控制策略進行了分析和研究。建立了機側變流器和網(wǎng)側變流器的兩相旋轉坐標軸系下的數(shù)學模型，在此數(shù)學模型的基礎上對機側變流器和網(wǎng)側變流器解耦控制進行了研究，并給出了電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略。機側變流器對發(fā)電機輸出電流進行控制，使發(fā)電機輸出電流為正弦，保證了發(fā)電機平滑運轉。網(wǎng)側變流器對母線電壓進行控制，使母線電壓保持恒定，對交流側輸出電流也進行解耦控制，可靈活控制有功功率和無功功率，保證網(wǎng)側變流器在單位下運行。