直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究

張 蔚，王 岳，楊 奕

ZHANG Wei1,2, WANG Yue3, YANG Yi2

(1.南通大學(xué) 杏林學(xué)院，南通 226019；2.南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南通 226019；3.江蘇通達(dá)動(dòng)力科技股份有限公司，南通 226019)

0 引言

在直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)不需要?jiǎng)?lì)磁裝置，具有重量輕、效率高、功率因數(shù)高和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)子上取消了勵(lì)磁繞組，磁極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以做成多極電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速降低使風(fēng)輪機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)可直接耦合，省去了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的齒輪增速箱，減小了發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作并降低了噪聲，使直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)從眾多變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中脫穎而出，具有很好的發(fā)展前景。由于永磁同步發(fā)電機(jī)輸出的交流電由不可控整流后,經(jīng)電容濾波,再經(jīng)逆變器將能量送給電網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí),直流電壓會(huì)很低, 過(guò)低的直流電壓將引起電壓源逆變器無(wú)法完成有源逆變過(guò)程,進(jìn)而無(wú)法將功率饋入電網(wǎng)。為了最大限度地利用風(fēng)能,使直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)工作在一個(gè)較寬風(fēng)速范圍內(nèi),得引入DC-DC Boost升壓斬波電路。交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路能夠在開(kāi)關(guān)頻率較低的情況下獲得較小的輸入電流紋波與輸出電壓紋波，同時(shí)還能夠降低開(kāi)關(guān)損耗，成倍增加輸出功率的等級(jí)減少單個(gè)電感的容量，在具有良好校正效果的前提下，可大幅度減少整個(gè)功率電路的成本。因此，交錯(cuò)并聯(lián)Boost非常適合用于大電流、高功率的應(yīng)用領(lǐng)域，較大功率開(kāi)關(guān)電源及直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的直流升壓部分[1～4]。本文采用三相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路對(duì)直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行最大功率跟蹤控制，并基于TMS320F2812搭建了實(shí)驗(yàn)室硬件平臺(tái),對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 風(fēng)力機(jī)特性

風(fēng)力機(jī)把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能是一個(gè)復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程，很難精確描述它。為了研究需要，人們?cè)O(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的模型來(lái)描述風(fēng)力機(jī)的特性，它反映了風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收功率的關(guān)系，如公式（1）—（4）所示。風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)CP反映了風(fēng)力機(jī)吸收利用風(fēng)能的效率，它隨風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)如功角和槳距角等而變化。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)式(2)中的比值就可以得到最佳葉尖速比，即可得到Cpmax，從而達(dá)到最大風(fēng)能捕獲[3]。

式中， P ——通過(guò)風(fēng)輪掃掠面積風(fēng)的功率，單位為W；

ρ——空氣密度，單位為kg/m3；

R ——風(fēng)輪半徑，單位為 m；

v ——實(shí)際風(fēng)速，單位為m/s；

CP——風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)；

ω——風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)的角速度；

λ——葉尖速比。

風(fēng)力機(jī)的功率可以由風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)角速度的乘積來(lái)表示，其關(guān)系為：

P=Tω

根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)出風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

式中，T 為轉(zhuǎn)矩，單位為N m；

CT=CP/λ為反映轉(zhuǎn)矩大小的系數(shù)。根據(jù)式(1)和式(5)可以知道，風(fēng)力機(jī)的最大功率和最佳轉(zhuǎn)矩分別與轉(zhuǎn)速的三次方和二次方成正比，風(fēng)力機(jī)特性曲線(xiàn)如圖1和圖2所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)功率—轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

圖2 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)

2 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要包括風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、DC/DC變換電路、DC/AC變換電路以及負(fù)載等組成。系統(tǒng)電路圖如圖3所示，其中DC/DC變換電路選擇三相交錯(cuò)BOOST電路，DC/AC變換電路選擇三相電壓型逆變電路。通過(guò)對(duì)DC/DC、DC/AC變換器的控制，將永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的變頻變幅電壓轉(zhuǎn)化為恒頻恒幅電壓輸出。

圖3 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

2.2 最大功率跟蹤的原理

最大功率追蹤算法是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用率最大化的優(yōu)化算法，即在一定的風(fēng)速條件下，通過(guò)對(duì)等效負(fù)載的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整變化，使得風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比曲線(xiàn)上，從而能夠及時(shí)地捕獲到隨機(jī)波動(dòng)的最大風(fēng)能，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率最大，提高風(fēng)能的利用率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

圖4 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速—功率曲線(xiàn)

圖4為風(fēng)力機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)，由圖4可知，在某一固定轉(zhuǎn)速下，風(fēng)速越大風(fēng)力機(jī)輸出功率越大；風(fēng)速固定時(shí)，風(fēng)力機(jī)在特定轉(zhuǎn)速下才可以輸出最大功率，轉(zhuǎn)速過(guò)小或過(guò)大時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率都會(huì)變小。圖4中實(shí)線(xiàn)為不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出最大功率的連線(xiàn)，也稱(chēng)為最佳功率負(fù)載線(xiàn)。要在風(fēng)速不斷變化時(shí)獲取最大風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)必須始終跟蹤其最大功率點(diǎn)，使風(fēng)力機(jī)在最佳葉尖速比下運(yùn)行，輸出最大機(jī)械功率。

2.3 MPPT控制策略

傳統(tǒng)爬山算法，在跟蹤控制過(guò)程中，擾動(dòng)步長(zhǎng)過(guò)大時(shí)，不可避免地出現(xiàn)在最大功率點(diǎn)附近振蕩的現(xiàn)象，導(dǎo)致跟蹤的最大功率點(diǎn)與實(shí)際值相差很大，降低了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；擾動(dòng)步長(zhǎng)過(guò)小時(shí)，則會(huì)降低跟蹤的快速性。因此需要權(quán)衡準(zhǔn)確性與響應(yīng)速度，確定一種既可以減少最大功率點(diǎn)附近振蕩，又可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和快速地跟蹤最大功率點(diǎn)的控制方法。本文采用改進(jìn)的變步長(zhǎng)爬山算法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制[4]，其控制流程圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的爬山算法流程圖

圖5中U(n)、I(n)、P(n)為測(cè)量和計(jì)算的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流和功率值，而P(n-1)為上次計(jì)算的發(fā)電機(jī)功率值，PZ為功率增量的基準(zhǔn)值，M為步長(zhǎng)，L為符號(hào)控制變量，d為初始占空比D(n)和D(n-1)分別為第(n)、(n-1)次的占空比。

2.4 逆變器控制策略

直接電流控制是一種電流跟蹤控制方式，通常采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制模式。這類(lèi)電流型控制技術(shù)是檢測(cè)電感電流或功率開(kāi)關(guān)電流，并將它作為電流內(nèi)環(huán)的反饋信號(hào)，然后將它與電壓外環(huán)的輸出信號(hào)(電流給定) 經(jīng)比較器比較后去控制功率開(kāi)關(guān)的占空比，使功率開(kāi)關(guān)的峰值或谷值電流直接跟隨電壓反饋回路中誤差放大器輸出信號(hào)的變化。這種控制方式具有電流波形好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好和調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點(diǎn)[5]。本文采用滯環(huán)電流跟蹤控制，其控制策略的系統(tǒng)原理圖如圖6所示。由相位檢測(cè)環(huán)節(jié)得到的同步信號(hào)與并網(wǎng)電流幅值給定一起送正弦波發(fā)生器，生成與電網(wǎng)電壓同頻同相的參考電流信號(hào) ，再經(jīng)滯環(huán)比較器對(duì)并網(wǎng)電流反饋信號(hào) 與 偏差進(jìn)行調(diào)制得到開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)。

圖6 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)控制原理圖

3 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究

3.1 基于三相交錯(cuò)BOOST電路MPPT仿真研究

本文利用仿真軟件Matlab/Simulink對(duì)直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電MPPT控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真研究。模型如圖7所示。仿真模型由風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)模型、三相交錯(cuò)BOOST電路、MPPT控制算法模塊組成，其中風(fēng)力機(jī)仿真參數(shù)為風(fēng)力機(jī)額定功率5kW，葉片半徑為3.5m，最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.4，槳距角為0度，發(fā)電機(jī)額定功率為5kW，內(nèi)阻為0.5Ω，d軸電感與q軸電感均為3mH，磁鏈大小為0.5Wb，極對(duì)數(shù)為7，直流側(cè)電感為2.3mH，濾波電容為2mF，負(fù)載為80Ω，負(fù)載濾波電容為470 uF。

圖7 直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型

風(fēng)速的給定階躍信號(hào)在第2s從5m/s突變到8m/s，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。從圖8占空比的波形圖中可知占空比在風(fēng)速為5m/s時(shí)能夠保持在0.34附近，而當(dāng)風(fēng)速在8m/s時(shí)能夠保持在在0.53附近，波動(dòng)很小，系統(tǒng)較為穩(wěn)定。從圖9可以看出，輸出的功率波形平穩(wěn)，而且跟蹤速度很快，在0.8s以?xún)?nèi)就能夠跟蹤到最大輸出功率。

圖8 占空比波形圖

圖9 風(fēng)力機(jī)輸出功率

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，在實(shí)驗(yàn)室中使用一臺(tái)6kW他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)5kW的永磁同步發(fā)電機(jī)，通過(guò)直流電動(dòng)機(jī)來(lái)模擬風(fēng)力機(jī)，搭建了基于DSPTMS320C2812的實(shí)驗(yàn)室硬件平臺(tái)，功率開(kāi)關(guān)IGBT選擇三菱公司生產(chǎn)的IPM模塊型號(hào)為PM50RLA120。由于電網(wǎng)相電壓有效值為220V，為了系統(tǒng)逆變能得到220V交流電， 逆變器輸入電壓應(yīng)為380V左右，逆變器開(kāi)關(guān)頻率為20kHz，濾波電感為10mH。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10和圖11所示。圖10為直流側(cè)電壓波形，圖11為a相電壓與電流波形圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明直流電壓波形比較平穩(wěn)，逆變器輸出電流為穩(wěn)定的正弦波，且與電網(wǎng)電壓相位相同，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)電能傳送。

圖10 直流側(cè)電壓波形

圖11 逆變器輸出波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用改進(jìn)的變步長(zhǎng)最大功率跟蹤算法改變占空比對(duì)三相交錯(cuò)Boost電路進(jìn)行控制，采用滯環(huán)電流跟蹤控制對(duì)逆變器進(jìn)行控制，使直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獲取最大功率，并實(shí)現(xiàn)近似單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)研究證明了其控制策略的正確性與可行性。

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