基于雙PWM協(xié)調(diào)控制的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究

郭林杰，趙建勇

（1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266042；2.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

當(dāng)今世界，石化能源大量消耗，傳統(tǒng)能源資源面臨枯竭，能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重。改變能源結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)新能源已經(jīng)刻不容緩。而風(fēng)能便是各種新能源中應(yīng)用最廣泛的一種[1]。

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中，應(yīng)用最廣泛的兩種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)分別為雙饋發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。兩者中，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于變頻策略實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)子側(cè)，只需發(fā)電機(jī)容量的1/3左右，因此容量相對(duì)做得更大，但是該系統(tǒng)需要價(jià)格昂貴的增速齒輪箱，同時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)含有容易損壞的滑環(huán)和電刷，使整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，發(fā)電效率受此影響難以提升。與其相比，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)則省去了齒輪箱裝置，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，控制較為容易。雖然變頻器容量相對(duì)較大，但是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器容量也不再是一個(gè)明顯的瓶頸。而且永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的低電壓穿越能力，這是雙饋發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法相比的[2-3]。從風(fēng)力發(fā)電總體效益上考慮，直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)很有潛力，將成為未來(lái)幾十年的主流方案，所以本文選擇永磁風(fēng)電系統(tǒng)作為研究對(duì)象。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本原理

圖1為基于雙PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)同軸相連，發(fā)電機(jī)定子連接機(jī)側(cè)變流器，機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器均為IGBT反并聯(lián)續(xù)流二極管的三相橋電路，中間通過(guò)直流環(huán)節(jié)相連，網(wǎng)側(cè)變流器連接電網(wǎng)。

該系統(tǒng)變流環(huán)節(jié)可以看作雙P結(jié)構(gòu)的交直交變頻器 ，但在控制上卻不相同。電路中PWM變流器可以分為兩部分。電機(jī)側(cè)變流器主要用于控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使其跟隨風(fēng)速的變化而變化來(lái)追蹤最佳風(fēng)能（第3節(jié)中介紹），并且將發(fā)電機(jī)輸出的頻率和幅值變化的三相交流電整流成穩(wěn)定的直流電；而網(wǎng)側(cè)變流器的作用則是穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，并且將發(fā)電機(jī)輸出到直流側(cè)的電能轉(zhuǎn)換為頻率和幅值與電網(wǎng)相同的交流電饋入電網(wǎng)，此外，在電網(wǎng)電壓因?yàn)槔讚艋蛘叨搪返裙收蠈?dǎo)致電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器可以向電網(wǎng)輸送一定的無(wú)功功率支持網(wǎng)側(cè)電壓的穩(wěn)定。

2 控制策略與控制結(jié)構(gòu)

2.1 最大風(fēng)能追蹤策略

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)主要有兩種狀態(tài)：額定風(fēng)速以下運(yùn)行和額定風(fēng)速運(yùn)行。額定風(fēng)速以下時(shí)保持槳距角β=0，通過(guò)各種控制方式使發(fā)電機(jī)以最大功率運(yùn)行；在達(dá)到額定風(fēng)速或者超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)通過(guò)控制槳距角（變槳距）或者葉尖速比（定槳距）來(lái)降低風(fēng)能利用系數(shù)Cp，限制風(fēng)能的利用率，使風(fēng)力機(jī)維持在額定功率運(yùn)行。由于風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)速經(jīng)常會(huì)低于額定風(fēng)速，而最大風(fēng)能跟蹤問(wèn)題就是在此基礎(chǔ)上提出的[4]。

風(fēng)力機(jī)吸收功率為：

其中，空氣密度ρ和風(fēng)輪掃掠面積s為定值，當(dāng)風(fēng)速v變化時(shí)，影響風(fēng)力機(jī)吸收功率Pm大小的只有風(fēng)能利用系數(shù)Cp。

風(fēng)能利用系數(shù)Cp與槳葉節(jié)距角β、葉尖速比λ有關(guān)。在最大風(fēng)能追蹤過(guò)程中，β一般設(shè)置為0以保證風(fēng)輪對(duì)風(fēng)能的最大吸收。此時(shí)Cp便是一個(gè)只與λ有關(guān)的函數(shù)。

而葉尖速比λ滿足：

由式(2)可以看出，要使葉尖速比 λ 保持為 λopt（最佳葉尖速比），只要使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ω與風(fēng)速v比值不變即可。而直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸相連，轉(zhuǎn)速相同。所以只要風(fēng)速變化時(shí)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化便能實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的最大追蹤。這也是本文選用的最佳葉尖速比控制法。

此外還有爬山搜索法、功率信號(hào)反饋法等方法都可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤。在此不再一一敘述。

2.2 控制結(jié)構(gòu)

結(jié)合永磁同步發(fā)電機(jī)以及三相PWM變流器數(shù)學(xué)模型，對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器采用基于電網(wǎng)電壓矢量定向的控制策略，機(jī)側(cè)變流器采用基于電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向id=0矢量控制策略，設(shè)計(jì)出如圖2所示雙PWM協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖。

當(dāng)風(fēng)力機(jī)達(dá)到切入風(fēng)速后開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)速測(cè)量裝置測(cè)量到實(shí)際風(fēng)速，根據(jù)得出此風(fēng)速對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速參考值ωref，此值與實(shí)際測(cè)量得到的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω相比較，通過(guò)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器得到發(fā)電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量（有功電流）期望值，然后與實(shí)際有功電流iq比較（有功電流和無(wú)功電流通過(guò)坐標(biāo)變換得到，其中角度θ由轉(zhuǎn)子位置角根據(jù)極對(duì)數(shù)計(jì)算得到），差值經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器，再經(jīng)過(guò)電壓前饋補(bǔ)償?shù)玫桨l(fā)電機(jī)交軸參考電壓uq。在發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，電流環(huán)的無(wú)功電流（勵(lì)磁分量）給定設(shè)為 0，此值與實(shí)際無(wú)功電流相比較，差值經(jīng)過(guò)無(wú)功電流調(diào)節(jié)器再加上前饋電壓補(bǔ)償?shù)玫桨l(fā)電機(jī)直軸參考電壓ud。uq、ud經(jīng)過(guò)SVPWM調(diào)制得到電機(jī)側(cè)變流器主電路三相橋的六路驅(qū)動(dòng)脈沖，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)變流器的控制[5]。

網(wǎng)側(cè)變流器的控制過(guò)程與機(jī)側(cè)變流器相似，給定直流電壓Udc*與從直流側(cè)檢測(cè)得到的實(shí)際電壓Udc比較，差值經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)器得到有功電流的期望值id*，id*與實(shí)際檢測(cè)到的有功電流iq比較（有功電流和無(wú)功電流通過(guò)坐標(biāo)變換得到，θ由鎖相環(huán)PLL得到），差值經(jīng)過(guò)有功電流調(diào)節(jié)器輸出，然后加上前饋電壓補(bǔ)償?shù)玫絽⒖茧妷簎d。無(wú)功電流iq*在發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)設(shè)定為0，iq*與實(shí)際無(wú)功電流iq比較，差值經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器再加上前饋電壓補(bǔ)償?shù)玫絽⒖茧妷簎q，ud、uq經(jīng)過(guò)SVPWM調(diào)制得到網(wǎng)側(cè)變流器主電路三相橋的驅(qū)動(dòng)脈沖，以此來(lái)控制網(wǎng)側(cè)變流器工作。

根據(jù)以上分析，通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器協(xié)調(diào)控制，便可使發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)跟隨風(fēng)速的變化而變化，吸收各種風(fēng)速下的最大風(fēng)能，同時(shí)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)一步通過(guò)各種電流環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為可以饋入電網(wǎng)的電能，實(shí)現(xiàn)永磁風(fēng)力發(fā)電的基本目標(biāo)。

3 系統(tǒng)仿真研究

根據(jù)圖 2，在 MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，仿真參數(shù)設(shè)置如下：

風(fēng)力機(jī)參數(shù)：額定功率120 kW；風(fēng)力機(jī)葉輪半徑12 m；切入風(fēng)速 3 m/s；切出風(fēng)速 25 m/s；額定風(fēng)速 10 m/s；最佳葉尖速比8.3；最佳風(fēng)能利用系數(shù)4.79。

永磁同步發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定功率120 kW；定子電阻0.12 Ω，d軸電感 0.033 H；q軸電感 0.033 H；永磁體磁鏈1.79 Wb；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 150 kg·m2；轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù) 0.005 N·m·s；極對(duì)數(shù) 32。

網(wǎng)側(cè)變流器仿真參數(shù)：網(wǎng)側(cè)相電壓220 V；網(wǎng)側(cè)濾波電感0.012 H；濾波電感等效電阻0.06 Ω；開(kāi)關(guān)頻率5 kHz；直流側(cè)濾波電容0.002 2 F。

仿真波形如圖3～圖9所示。

根據(jù)以上仿真曲線可以看出，當(dāng)風(fēng)速由7 m/s漸變?yōu)?0 m/s時(shí)，發(fā)電機(jī) (風(fēng)力機(jī))轉(zhuǎn)速能夠很好地跟隨風(fēng)速的變化而變化，發(fā)電機(jī)定子側(cè)電流和網(wǎng)側(cè)電流也隨著風(fēng)速的增大而增大，并且網(wǎng)側(cè)電流與電壓能夠保證運(yùn)行在單位功率因數(shù)逆變(相位角相差180°)狀態(tài)。通過(guò)網(wǎng)側(cè)有功功率以及有功電流 id、無(wú)功電流iq可以看出，整個(gè)發(fā)電過(guò)程中，只要系統(tǒng)正常運(yùn)行，網(wǎng)側(cè)無(wú)功電流iq便一直保持為0，而有功電流可以隨著風(fēng)速的變化而變化，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)饋入電網(wǎng)的有功功率由40 kW變?yōu)?20 kW，風(fēng)能利用系數(shù)在整個(gè)過(guò)程中基本保持不變，接近0.48，說(shuō)明風(fēng)電系統(tǒng)在整個(gè)過(guò)程中一直保持最大風(fēng)能的追蹤。

4 其他問(wèn)題的說(shuō)明

(1)在風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)中應(yīng)用了多個(gè)PI調(diào)節(jié)器，在對(duì)其比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki進(jìn)行設(shè)定時(shí)必須符合發(fā)電系統(tǒng)的基本物理要求，另外各個(gè)PI調(diào)節(jié)器一定要加限幅值。例如發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中的變流器，如果外環(huán)為速度環(huán)時(shí)，由于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，反應(yīng)比較遲緩，因此要使其速度跟隨風(fēng)速快速變化必須是PI調(diào)節(jié)器有合適的靈敏度，一般比例系數(shù)Kp應(yīng)該設(shè)置得較大一些，而積分時(shí)間常數(shù)τi應(yīng)該較小。

(2)PI調(diào)節(jié)器的限幅值也非常關(guān)鍵，因?yàn)榉抡孀罱K是模擬實(shí)際，因此只有確定明確的限幅值才能確定系統(tǒng)的容量問(wèn)題，才能對(duì)其他各種問(wèn)題進(jìn)行分析。

(3)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的中間變流環(huán)節(jié)可以看作一臺(tái)背靠背PWM交直交變頻器[6]，因此當(dāng)風(fēng)速變化較為明顯時(shí)，若采用速度外環(huán)控制則可能出現(xiàn)發(fā)電機(jī)運(yùn)行到電動(dòng)狀態(tài)的問(wèn)題，也就是風(fēng)能和電網(wǎng)發(fā)出電能同時(shí)使風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)提速。在這種情況下風(fēng)電系統(tǒng)的電流和功率極性都會(huì)瞬時(shí)發(fā)生改變，這對(duì)系統(tǒng)就有一定的沖擊性，是一種不良影響。因此必須對(duì)PI調(diào)節(jié)器設(shè)定合適的限幅值，防止其在轉(zhuǎn)速變化（特別是風(fēng)速變化明顯，如階躍信號(hào)）時(shí)工作在電動(dòng)狀態(tài)，在設(shè)定限幅值時(shí)應(yīng)同時(shí)設(shè)置積分環(huán)節(jié)單獨(dú)的限幅值，防止其積分影響。

本文通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了采用雙PWM協(xié)調(diào)控制的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在最大功率追蹤方面的較好性能，說(shuō)明了該系統(tǒng)具有良好的可行性；論文最后對(duì)仿真系統(tǒng)中PI參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行了說(shuō)明，使該系統(tǒng)可以有效避免轉(zhuǎn)速控制中轉(zhuǎn)矩和功率沖擊問(wèn)題。

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