直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組最大功率跟蹤控制策略的研究

張麗萍，陳世慧，郭曉紅（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

張瑞榮（北京京能新能源有限公司內(nèi)蒙古分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010040）

1 引言

中國(guó)是耗能大國(guó)，而石油、煤炭已不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的能源需求。在眾多再生能源中，目前發(fā)展最快的當(dāng)數(shù)風(fēng)力發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電作為一種新的、安全可靠的潔凈能源，優(yōu)越性為越來(lái)越多的人所認(rèn)識(shí)。在各種能源中，風(fēng)能是利用起來(lái)比較簡(jiǎn)單的一種，具備優(yōu)越的開(kāi)發(fā)條件。此外，從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益方面來(lái)看，它的產(chǎn)業(yè)化可帶動(dòng)一批相關(guān)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品的發(fā)展，因此對(duì)促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義。

常見(jiàn)的籠型異步發(fā)電機(jī)，由于存在齒輪箱，雙饋異步發(fā)電機(jī)還存在碳刷和滑環(huán)，使得系統(tǒng)成本高、可靠性差、維護(hù)量大，且噪聲污染嚴(yán)重。并且當(dāng)其低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，效率較低，特別是隨著單機(jī)容量的增大，問(wèn)題更加突出。直驅(qū)和無(wú)刷化越來(lái)越受到人們的關(guān)注。因此，基于變速運(yùn)行、變槳距調(diào)節(jié)、低轉(zhuǎn)速、高效率、高功率因數(shù)的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DDPMG)已成為研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一。該類(lèi)型發(fā)電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，消除了勵(lì)磁損耗，提高了效率，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)無(wú)刷化；并且運(yùn)行時(shí)，不需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率來(lái)建立磁場(chǎng)，可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)；采用風(fēng)力機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式，取消了齒輪箱，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率和可靠性，降低了設(shè)備的維護(hù)量，減少了噪聲污染。目前，我國(guó)在該領(lǐng)域正處于研究階段，主要研究DDPMG組的總體設(shè)計(jì)技術(shù)、關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)以及大型DDPMG的功率調(diào)節(jié)技術(shù)等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和控制技術(shù)，決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能和輸出的電能質(zhì)量，因此有必要對(duì)此控制策略進(jìn)行更加深入的研究。

本文建立包括風(fēng)力機(jī)、直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)及機(jī)側(cè)變換器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用定子磁鏈定向的方法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行矢量控制策略的研究，利用Matlab/Simulink建立系統(tǒng)各部分的仿真模型，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證所采用的控制策略的正確性和可行性[1-5]。

2 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖1所示為直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。由低速永磁發(fā)電機(jī)組成的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定子通過(guò)全功率變流器與交流電網(wǎng)連接，發(fā)電機(jī)變速運(yùn)行，通過(guò)變流器保持輸出電流的頻率與電網(wǎng)頻率一致。

圖1 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)有：無(wú)需齒輪箱，機(jī)械損耗小，運(yùn)行效率高，維護(hù)成本低；消除勵(lì)磁銅耗，功率密度高，轉(zhuǎn)子慣性低，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；可實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的完全調(diào)節(jié)；與雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，低風(fēng)速時(shí)效率更高；轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍較寬，可在額定轉(zhuǎn)速的-30% ～15%范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，可靠性高，控制簡(jiǎn)單。

圖2 背靠背雙PWM變流器結(jié)構(gòu)

低速永磁發(fā)電機(jī)組的變流器采用背靠背雙PWM變流器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。發(fā)電機(jī)定子通過(guò)背靠背變流器和電網(wǎng)連接。發(fā)電機(jī)側(cè)PWM變流器通過(guò)調(diào)節(jié)定子側(cè)的d軸和q軸電流，控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定子的無(wú)功功率（無(wú)功功率的設(shè)定值為0），使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在變速恒頻狀態(tài)，額定風(fēng)速以下具有最大風(fēng)能捕獲能力；網(wǎng)側(cè)的PWM變流器通過(guò)調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的d軸和q軸電流，保持直流側(cè)的電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，控制流向電網(wǎng)的無(wú)功功率，通常運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。此外，網(wǎng)側(cè)變流器還要保證變流器輸出的THD（總諧波失真）盡可能小，以提高注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通用性較強(qiáng)，雙PWM變流器主電路完全相同，控制電路和控制算法也非常相似。兩側(cè)變流器都使用基于DSP的數(shù)字化控制，采樣矢量控制，控制方法靈活，具有四象限運(yùn)行功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)調(diào)速和發(fā)電質(zhì)量控制，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤。此方法減小了電機(jī)側(cè)電壓、電流諧波含量，具有很好的電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制性能，低頻諧波小，功率因數(shù)高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，全控型器件的成本會(huì)越來(lái)越低，雙PWM變流器具有更大的發(fā)展空間[6-8]。

3 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

3.1 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型

由空氣動(dòng)力學(xué)特性可知風(fēng)力機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率為

式中，CP為風(fēng)能利用系數(shù)，反映風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能的效率，與槳距角β和葉尖速比λ有關(guān)。ρ為空氣的密度，R為風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪半徑，V為風(fēng)速，ω為風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)角速度。在固定風(fēng)速下，隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，CP會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，由此使風(fēng)力機(jī)輸出功率發(fā)生變化。只有在最佳葉尖速比λopt下才能得到最大風(fēng)能利用系數(shù)CPmax，從而獲得風(fēng)力機(jī)輸出最大功率。將不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的功率轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)上最大功率點(diǎn)連接起來(lái)得到風(fēng)力機(jī)的最佳功率曲線(xiàn)。

3.2 永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

假設(shè)定子繞組正弦分布，電磁對(duì)稱(chēng)，忽略鐵損及磁路未飽和。在（d，q）坐標(biāo)系下建立的永磁同步電機(jī)模型為

式中，R是定子電阻；du、qu分別是d軸和q軸的定子電壓分量；dL、qL分別是d軸和q軸的電感；sω是定子頻率。

式中，dφ、qφ分別是d軸和q軸的磁通，mφ是一個(gè)由永磁決定的恒值磁通。這樣可得

電磁轉(zhuǎn)矩為

式中，P是極對(duì)數(shù)。如果永磁體安裝在轉(zhuǎn)子表面，則Ld=L q。定子頻率ωs與軸的轉(zhuǎn)速成正比，即sh，它依賴(lài)于發(fā)電機(jī)的機(jī)械連接方式。狀態(tài)矢量和輸入矢量分別定義為

因此永磁同步電機(jī)模型可表示為[9-12]

4 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)矢量控制方案

4.1 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)矢量控制結(jié)構(gòu)

直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的調(diào)節(jié)，按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速功率輸出曲線(xiàn)，給定不同的風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速情況下的功率輸出目標(biāo)，額定風(fēng)速以下以最佳葉尖速比運(yùn)行，額定風(fēng)速以上，以限制功率輸出方式運(yùn)行。有功功率決定于轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流q軸分量大小，無(wú)功功率決定于轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流d軸風(fēng)量大小，經(jīng)過(guò)控制算法，給定轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流、電壓的d、q軸分量，通過(guò)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換后，變換為靜止坐標(biāo)系下的a、b、c分量，再通過(guò)PWM輸出，控制框圖如圖3所示[13-15]。

圖3 控制框圖

1θ，檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子瞬時(shí)電流值通過(guò)3S/2S三相/兩相靜止坐標(biāo)變換后，變化角度為1θ～2θ，輸送到控制單元。

4.2 系統(tǒng)仿真研究

此系統(tǒng)采用的風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速為12m/s，定槳距情況下最優(yōu)葉尖速比為λopt=7，輸入信號(hào)為階躍信號(hào)，風(fēng)速在23s時(shí)由26m/s變化為24m/s，對(duì)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電矢量控制系統(tǒng)在MATLAB的SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，輸出有功功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果如圖3所示。

從仿真結(jié)果可以看出，風(fēng)速為26m/s時(shí)間為10s左右時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，葉尖速比達(dá)到并保持在最大值7，風(fēng)能利用系數(shù)最大。當(dāng)風(fēng)速降至24m/s時(shí)，由于系統(tǒng)慣性的原因，有功功率不能馬上到達(dá)穩(wěn)態(tài)值，電機(jī)轉(zhuǎn)速也不能立刻跟蹤期望值，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延遲后，系統(tǒng)重新回到穩(wěn)定狀態(tài)，葉尖速比重新回到并保持在最大值7，輸出有功功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在額定值不變，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤。

5 結(jié)語(yǔ)

圖4 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率仿真曲線(xiàn)

直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)，為提高其運(yùn)行的高效性和可靠性，實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤的效果，本文詳細(xì)闡述了采用矢量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變換器的控制。利用坐標(biāo)變換，在d-q坐標(biāo)系下建立了包括風(fēng)力機(jī)、直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)及機(jī)側(cè)變換器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用定子磁鏈定向的方法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行矢量控制策略的仿真研究。通過(guò)矢量控制仿真結(jié)果，可看出該方法具有很好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，控制量變化平穩(wěn)，控制效果理想，優(yōu)化了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能。當(dāng)風(fēng)速突變時(shí)，基于定子磁鏈定向的矢量控制策略使得電機(jī)能夠很好的控制，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，電機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)低于額定風(fēng)速時(shí)的最大風(fēng)能捕捉，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所建模型的合理性及控制策略的正確性和可行性。

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