基于混合勵(lì)磁電機(jī)的直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)

葉斌英，阮 毅， 楊 勇，湯燕燕

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

0 引言

隨著人們環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)，風(fēng)力發(fā)電憑借其高效、環(huán)保、大功率的優(yōu)勢(shì)得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注［1-4］。典型的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)分為恒速恒頻和變速恒頻兩種。恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)通常將發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)直接連接;變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)一般利用電力電子裝置對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，與恒速恒頻發(fā)電技術(shù)相比，其具有顯著的優(yōu)越性，大大提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，逐漸成為主流。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)主要分為雙饋式和直驅(qū)式兩種。雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要齒輪箱升速，維護(hù)費(fèi)用高，而采用多極同步電機(jī)的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合電力電子裝置，發(fā)電機(jī)可以在低速下發(fā)電運(yùn)行，省去了齒輪箱，該系統(tǒng)已成為近年的研究熱點(diǎn)［5-9］。

最大風(fēng)能跟蹤是風(fēng)力發(fā)電的基本問(wèn)題。在一定的風(fēng)速下，存在一個(gè)最佳的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使得系統(tǒng)捕獲的風(fēng)能最大。對(duì)于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，文獻(xiàn)［10］分析了典型的基于永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)的矢量控制并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和最大風(fēng)能跟蹤方法，利用可控的整流橋、逆變橋分別控制機(jī)側(cè)以獲取最大風(fēng)能和網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變，通過(guò)直流母線進(jìn)行聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變和最大風(fēng)能跟蹤的目的，但存在著需要兩套大功率變流器的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［11］提出了不添加整流橋?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤的控制方法，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但是控制方法復(fù)雜。文獻(xiàn)［12］和文獻(xiàn)［13］各自提出了在直流母線上添加BOOST電路進(jìn)行最大風(fēng)能跟蹤的方法，擁有良好的跟蹤性能，但是BOOST電路限制了系統(tǒng)的功率。由于永磁電機(jī)本身勵(lì)磁不可控，為了達(dá)到捕獲最大風(fēng)能的目的，上面提到的這些基于PMSM的最大風(fēng)能跟蹤方法都需要在主電路上添加電力電子裝置，輔助實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。近年，廣受各國(guó)學(xué)者關(guān)注的混合勵(lì)磁同步電機(jī)［14-16］(Hybird Excitation Synchronous Motor，HESM)在永磁體勵(lì)磁的基礎(chǔ)上添加了電勵(lì)磁，同時(shí)具有電勵(lì)磁同步電機(jī)和PMSM優(yōu)點(diǎn)，在變速或負(fù)載不穩(wěn)定的發(fā)電場(chǎng)合通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流即可提供恒壓電源。如果在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，利用 HESM替代PMSM，通過(guò)混合勵(lì)磁電機(jī)的電勵(lì)磁協(xié)調(diào)控制直流母線電壓，可省去一部分大功率電力電子裝置，同時(shí)達(dá)到最大風(fēng)能跟蹤的目的。

本文推導(dǎo)了HESM和并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上給出了本文所采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，以及相應(yīng)的最大風(fēng)能跟蹤策略，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正確性。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 HESM數(shù)學(xué)模型

本文介紹的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)采用的HESM結(jié)構(gòu)如圖1所示:裝在定子上的直流勵(lì)磁線圈首先在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上感應(yīng)出交流勵(lì)磁電流，該交流電又經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子上的整流器得到直流電，該直流電與裝在轉(zhuǎn)子上的永磁體一起產(chǎn)生勵(lì)磁作用，再安裝在定子上的主繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。

圖1 HESM內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

雖然HESM結(jié)構(gòu)比較特殊，但從電磁關(guān)系的角度來(lái)看，HESM與普通PMSM相比，僅多了一個(gè)可以調(diào)節(jié)電流的勵(lì)磁繞組。因此，仍然可以采用dq坐標(biāo)系來(lái)分析HESM。由于定子坐標(biāo)系下的HESM方程式是一組與轉(zhuǎn)子瞬時(shí)位置有關(guān)的非線性微分方程式，只能采用與轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)軸系統(tǒng)的變換來(lái)消除微分方程中的這種非線性關(guān)系。取由定子繞組端點(diǎn)流入電機(jī)中心點(diǎn)方向作為定子各相電流的參考正方向，繞組磁鏈Ψ和電流i的正方向符合右手螺旋法則，永磁體產(chǎn)生的主極磁通方向取為d軸的正方向，q軸超前d軸正方向90°電角度。由此可得到電樞繞組和勵(lì)磁繞組的磁鏈方程式為

式中:Lmd，Lmq——直軸和交軸電感;

Msf——?jiǎng)?lì)磁繞組與電樞繞組互感的幅值;

Lmf——?jiǎng)?lì)磁繞組自感;

Ψpm——永磁體匝鏈電樞繞組的磁鏈幅值。

根據(jù)電壓方程，經(jīng)推導(dǎo)得電流微分方程為

式中:pr——電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù);

ωm——轉(zhuǎn)子的電角速度;

Rm——定子繞組阻值;

Rf——?jiǎng)?lì)磁繞組阻值。

1.2 三相并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型

三相并網(wǎng)逆變器作為發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接的橋梁，在整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要。三相電壓型并網(wǎng)逆變器一般采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略［18-19］，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示。其中:iA、iB、iC為并網(wǎng)逆變器輸出電流;uA、uB、uC為并網(wǎng)逆變器

電磁轉(zhuǎn)矩方程為:輸出電壓;eA、eB、eC分別為三相電網(wǎng)電壓;L、R為連接并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的電感和電阻;C為母線上的電容。各量的參考方向如圖2所示。

圖2 三相電壓型的并網(wǎng)逆變器

設(shè)三相電網(wǎng)電壓為

式中:E——相電壓的峰值;

ω——電網(wǎng)角頻率。

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，將d軸定在電網(wǎng)電壓的合成矢量上，通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)電壓的空間角度，可以得到脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)整流器三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq軸的數(shù)學(xué)模型［17］:

式中:Sd、Sq——開(kāi)關(guān)函數(shù)在dq坐標(biāo)系中的表示;

ed——電網(wǎng)電壓的d軸分量;

id、iq——電流的d、q軸分量;

ω——電網(wǎng)電壓角頻率。

逆變輸出的功率為

2 控制策略

2.1 風(fēng)機(jī)特性

根據(jù)貝茲(Betz)理論，風(fēng)輪機(jī)實(shí)際得到的功率與風(fēng)速的三次方有關(guān)。在風(fēng)速ν下運(yùn)行時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)捕獲的風(fēng)能為

式中:ρ——空氣密度;

S——風(fēng)輪的掃掠面積;

Cp——風(fēng)能利用系數(shù)，反映風(fēng)輪機(jī)利用風(fēng)能的效率，是葉尖速比λ和葉片節(jié)距角Q的函數(shù)。

葉尖速比:

式中:ωT——風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度;

R——風(fēng)輪葉片半徑。

變速恒頻機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，葉片節(jié)距角Q固定。因此，Cp的大小主要決定于λ。

一定風(fēng)速下典型的風(fēng)輪機(jī)的Cp-λ曲線如圖3所示，而不同風(fēng)速和轉(zhuǎn)速下的功率曲線如圖4所示。由圖3可知，對(duì)于一個(gè)特定的風(fēng)速ν，總存在一個(gè)最佳的葉尖速比λopt，對(duì)應(yīng)著一個(gè)最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)Cpmax。從圖4可以看出，在同一個(gè)風(fēng)速下，不同的轉(zhuǎn)速會(huì)使風(fēng)力機(jī)輸出不同的功率。只要能夠根據(jù)風(fēng)速的變化，適當(dāng)調(diào)整風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使λ始終為λopt，即可使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳功率點(diǎn)上，獲得最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

圖3 風(fēng)機(jī)的效率特性

圖4 不同風(fēng)速和轉(zhuǎn)速下功率特性

2.2 控制策略

本文采用的基于HESM的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型如圖5所示。系統(tǒng)采用了交-直-交結(jié)構(gòu)，風(fēng)輪機(jī)帶動(dòng)連軸的HESM，電機(jī)端子感應(yīng)出頻率和幅值都不固定的交流電，該交流電首先通過(guò)不可控整流橋得到直流電，再通過(guò)并網(wǎng)逆變器逆變?yōu)轭l率固定(50 Hz)的三相電輸送到電網(wǎng)上。系統(tǒng)不僅能夠根據(jù)風(fēng)能的大小逆變有功功率至電網(wǎng)，還能根據(jù)需要逆變無(wú)功功率至電網(wǎng)。

圖5 基于混合勵(lì)磁電機(jī)的直驅(qū)式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖4所示的風(fēng)輪機(jī)功率特性，每一風(fēng)速下的最佳葉尖速比λopt是已知的。依據(jù)實(shí)際風(fēng)速，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速維持實(shí)際的λ=λopt，便可獲得最大風(fēng)能。

對(duì)于由風(fēng)機(jī)和混合勵(lì)磁電機(jī)組成的連軸系統(tǒng)而言，其運(yùn)動(dòng)方程如下:

式中:T——風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;

Te——混合勵(lì)磁電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;

J——系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

B——系統(tǒng)摩擦系數(shù);

ωr——轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。

從式(9)、(10)可以看出要控制發(fā)電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速只要控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，又根據(jù)式(3)，電磁轉(zhuǎn)矩受到發(fā)電機(jī)輸出電流即輸出有功功率影響。因此，只要控制電機(jī)輸出的電流大小，即可控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。結(jié)合式(2)和圖5實(shí)線框內(nèi)所示的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，假設(shè)直流母線上的電壓恒定，發(fā)電機(jī)流出的電流受到逆變器輸出電流的唯一控制。本文通過(guò)調(diào)節(jié)混合勵(lì)磁電機(jī)的電勵(lì)磁電流大小協(xié)調(diào)控制直流母線電壓為一恒值，這樣發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過(guò)逆變電流大小進(jìn)行控制。母線電壓的恒定也保證了并網(wǎng)逆變輸出電流波形的質(zhì)量，以此來(lái)達(dá)到并網(wǎng)逆變和最大風(fēng)能跟蹤的目的。

圖6為母線電壓控制環(huán)的結(jié)構(gòu)，母線電壓的差值經(jīng)過(guò)PI作為混合勵(lì)磁電機(jī)的電勵(lì)磁給定，又通過(guò)PI得到BUCK電路開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。鑒于混合勵(lì)磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的輸出限幅都只能是正值。圖7為并網(wǎng)逆變電流控制環(huán)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)速可以得到唯一的最佳電機(jī)轉(zhuǎn)速，此轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器得到有功電流的給定信號(hào)，與無(wú)功電流的給定信號(hào)一起得到空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)模塊的參考信號(hào)。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以快速地根據(jù)風(fēng)速的變化而變化，使得系統(tǒng)波動(dòng)小、反應(yīng)快。

圖6 直流母線電壓控制器

圖7 轉(zhuǎn)速控制器

3 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證上述最大風(fēng)能跟蹤算法的正確性，在MATLAB/Simulink下搭建了系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真時(shí)采用的發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真用混合勵(lì)磁機(jī)參數(shù)

模擬的風(fēng)速0 s時(shí)突給11 m/s，2 s時(shí)逐漸變化至13 m/s，在3.5 s時(shí)逐漸升至15 m/s，5.5 s時(shí)逐漸降至14 m/s，觀察風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、逆變電流、母線電壓的變化過(guò)程。

從圖8和圖9可以看出發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以快速跟隨風(fēng)速變化。圖10反映了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化以后，直流母線電壓能夠維持在給定的600 V。圖11是7.5～7.6 s之間a相的逆變電壓縮小40倍的波形和 a相的電流波形，此時(shí)控制無(wú)功輸出為0。從圖11可看出電流和電壓同相位。圖12反映出風(fēng)速變化后風(fēng)機(jī)捕獲的風(fēng)能大小也跟隨風(fēng)速變化。圖13是d軸電流給定的隨風(fēng)速變化的波形。

圖8 風(fēng)速變化仿真波形

圖9 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形

圖10 直流母線電壓

圖11 a相逆變電壓電流波形(無(wú)功給定為0)

圖12 風(fēng)機(jī)輸入功率

圖13d軸(有功)電流變化(無(wú)功給定始終為0)

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于HESM的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上提出了最大風(fēng)能跟蹤控制方法。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方法清晰，通過(guò)混合勵(lì)磁電機(jī)的電勵(lì)磁環(huán)節(jié)可以省去部分大功率電力電子器件，而且風(fēng)能跟蹤的實(shí)時(shí)性高，并網(wǎng)逆變輸出的電流波形質(zhì)量好。

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