永磁直驅(qū)風(fēng)電機組并網(wǎng)系統(tǒng)的建模與仿真研究

文 | 孫攀，陶保震，袁博，李力

永磁直驅(qū)風(fēng)電機組并網(wǎng)系統(tǒng)的建模與仿真研究

文 | 孫攀，陶保震，袁博，李力

從目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展來看，并網(wǎng)型發(fā)電機組可分為兩類：恒速恒頻型（CSCF）與變速恒頻型（VSCF）。由于，恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)其發(fā)電效率較低，且在運行過程中承受的機械應(yīng)力較大，相應(yīng)的裝置成本較高，自20世紀(jì)80年代以來，這種恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電方式逐漸被變速恒頻型所取代。變速恒頻型風(fēng)電機組是利用先進(jìn)的變速和變槳技術(shù)，根據(jù)風(fēng)速變化時風(fēng)電機組的輸出特性調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速處于相應(yīng)的最佳值從而最大限度地捕獲風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電效率的同時大大降低了系統(tǒng)的機械應(yīng)力和裝置成本。

目前國內(nèi)外的變速恒頻型并網(wǎng)風(fēng)電機組主要有兩種：雙饋風(fēng)電機組（DFIG）與永磁直驅(qū)風(fēng)電機組（PMSG）。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是由風(fēng)電機組、齒輪箱、雙饋發(fā)電機、變流器等組成。其中雙饋電機的定子端直接與電網(wǎng)相連，而轉(zhuǎn)子端通過變流器連接到電網(wǎng)。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是采用風(fēng)電機組直接驅(qū)動多級永磁同步發(fā)電機、省去了容易發(fā)生故障的齒輪箱，使系統(tǒng)發(fā)電效率得到了提高，并且大大降低了噪聲對環(huán)境的污染。正因為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、成本、經(jīng)濟效益以及應(yīng)對電網(wǎng)故障等方面具有獨特的優(yōu)勢，永磁直驅(qū)風(fēng)電機組在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的運用將越來越廣泛。

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是由：風(fēng)電機組、永磁同步發(fā)電機、背靠背式全功率變流器、控制器等。首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率變化、幅值變化的三相交流電，經(jīng)過整流之后變?yōu)橹绷鳎碅C/DC轉(zhuǎn)換），然后經(jīng)過三相逆變器變換為頻率恒定的三相交流電連接到電網(wǎng)（即DC/AC轉(zhuǎn)換）。通過對電力電子變換環(huán)節(jié)的控制，調(diào)節(jié)系統(tǒng)有功功率和無功功率輸出，在風(fēng)速變化時通過控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)最大功率跟蹤、最大效率地利用風(fēng)能。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

一、風(fēng)電機組模型

風(fēng)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，是發(fā)電機的原動機。發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，是整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的首要部件。本文所使用簡化的空氣動力模型來反應(yīng)風(fēng)電機組輸出的機械功率、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速以及風(fēng)速的關(guān)系。

式(1)中，Pm表示為風(fēng)電機組獲得的機械功率；Tm表示為風(fēng)電機組的機械轉(zhuǎn)矩；ρ表示為空氣密度；R表示為風(fēng)輪半徑；V表示為風(fēng)速；Cp表示為風(fēng)能利用率或風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù),是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，其關(guān)系如下式：

式(2)中，λ表示為葉尖速比；β表示為槳距角；n表示為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；wg表示為風(fēng)電機組角速度。在Matlab/ Simulink環(huán)境中建立的風(fēng)電機組模型如下圖2。

圖2 風(fēng)電機組仿真模型

圖3 機側(cè)控制原理圖

圖4 網(wǎng)側(cè)控制原理圖

圖5 槳距角控制原理

二、永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器建模

（一）機側(cè)控制

在變速恒頻永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中對風(fēng)電機組機側(cè)的控制，目的是讓風(fēng)電機組的運行轉(zhuǎn)速跟蹤參考轉(zhuǎn)速。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制又是通過對發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的控制實現(xiàn)的，而永磁同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩與其定子電流密切相關(guān)，所以機側(cè)控制就是通過對電機側(cè)變流器的PWM控制實現(xiàn)控制永磁同步電機定子電流。

永磁同步發(fā)電機的控制策略主要有矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制兩類，本文的仿真模型采用的是矢量控制策略。矢量控制技術(shù)通過坐標(biāo)變換可使永磁同步電機定子電流的轉(zhuǎn)矩分量與磁鏈分量實現(xiàn)解耦、調(diào)節(jié)，從而只需要控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量這一個量就可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。下圖3給出永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機側(cè)控制原理。

機側(cè)控制采用了雙閉環(huán)控制如上圖3，通過測量永磁電機電角度θ，得到發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速wg，wg*為參考轉(zhuǎn)速（在某一風(fēng)速下對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速），參考轉(zhuǎn)速wg*與實際轉(zhuǎn)速wg的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后作為作為發(fā)電機定子電流的q軸分量給定值isq*，發(fā)電機定子電流d軸分量給定值isq*＝0，通過PI調(diào)節(jié)讓電子d、q軸的電流跟蹤給定值。定子dq軸電流除受控制電壓ud，uq的影響外，還受耦合電壓wgLqisq、 －wg（Lqisq＋ψ0）的影響，因此可分別對dq軸電流進(jìn)行閉環(huán)PI控制，并減去耦合項wgLqisq、 －wg（Lqisq＋ψ0）以進(jìn)行補償，即可得dq軸電壓分量，然后經(jīng)SPWM調(diào)制，就可得電機側(cè)變流器的驅(qū)動信號。

（二）網(wǎng)側(cè)控制

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)控制把經(jīng)過機側(cè)變流器輸出的的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻三相交流電實現(xiàn)并網(wǎng)，同時進(jìn)行輸出有功無功的控制。本文中的網(wǎng)側(cè)控制采用電網(wǎng)電壓定向的電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，控制原理如下圖4。

（三）槳距角控制

當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，風(fēng)電機組輸出功率低于額定功率，槳距角控制讓風(fēng)電機組槳距角保持在零度位置。但是當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，風(fēng)電機組輸出功率高于額定功率，受限于電機轉(zhuǎn)子機械應(yīng)力承受能力與定子電氣的承受能力，此時必須限制風(fēng)電機組的功率，使風(fēng)電機組保持在額定功率運行，以保證風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行。

圖5中，Pn為風(fēng)電機組的額定功率；Pe為風(fēng)電機組的實際輸出功率；Vn為風(fēng)電機組工作的額定風(fēng)速；Ve為風(fēng)電機組輸入的實際風(fēng)速；max表示取實際風(fēng)速與額定風(fēng)速中的最大值，這是為了保證當(dāng)實際風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，槳距角控制才開始工作。

三、永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

整個永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在MATLABSumlink中的模型如圖6。

仿真結(jié)果與分析

本文的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)中的風(fēng)電機組模型，模擬的是一款國內(nèi)主流風(fēng)電設(shè)備公司的5kW風(fēng)電機組的參數(shù)而估算出來的，該風(fēng)電機組的額定功率為5kW，額定風(fēng)速11m/s，額定轉(zhuǎn)速 240r/min，風(fēng)能利用系數(shù)為0.2365。模型中的一些關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

一、風(fēng)速小于額定風(fēng)速的仿真情況

當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，槳距角控制不啟動槳距角始終為0。仿真條件設(shè)定為風(fēng)速在0.3s時由9m/s躍升至11m/s，仿真步長為5e－6s，仿真時間1s，仿真得到的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)交流電的A相電壓電流（標(biāo)么值）、中間直流電壓、風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率以及輸出到電網(wǎng)的有功波形如圖7所示。

從上圖7的仿真結(jié)果來看永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)的A相電壓電流完全同相，即實現(xiàn)了輸出功率因數(shù)為1，并可見當(dāng)風(fēng)速從9m/s躍升至11m/s時，電流明顯增大；直流電壓穩(wěn)定時保持在860V的恒定值，在風(fēng)速變化時電機的轉(zhuǎn)速經(jīng)短暫過渡過程后很快達(dá)到新的穩(wěn)定值，且在風(fēng)速為11m/s時電機恰好達(dá)額定轉(zhuǎn)速值240r/min；由于風(fēng)速變化前后，風(fēng)速都不超過額定風(fēng)速值(11m/s)，風(fēng)能利用系數(shù)在風(fēng)速前后均保持在0.2365（即該風(fēng)電機組的最大風(fēng)能利用系數(shù)）；從圖中還可以看出風(fēng)速在9m/s時，輸出的有功約2900W，當(dāng)風(fēng)速達(dá)額定值11m/s后，輸出有功達(dá)到額定輸出功率值5000W。

圖6 Matlab/SimPowerSystems環(huán)境下的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型圖

表1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖7 風(fēng)速從9m/s階躍至11m/s時的仿真結(jié)果

圖8 風(fēng)速從10m/s階躍至13m/s時的仿真結(jié)果

二、風(fēng)速大于額定風(fēng)速的仿真情況

當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，槳距角控制啟動，槳距角不為0。仿真條件設(shè)定為風(fēng)速在0.5s時由10m/s躍升至13m/s，仿真步長為5e－6s，仿真時間1s，仿真得到的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)交流電的A相電壓電流（標(biāo)么值）、中間直流電壓、風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率以及輸出到電網(wǎng)的有功波形如圖8所示。

從上圖8的仿真結(jié)果可以看出，在風(fēng)速從10m/s躍升至13m/s時，由于風(fēng)速超過了額定風(fēng)速，槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)動作，達(dá)新的穩(wěn)定狀態(tài)時槳距角為12度左右，風(fēng)能利用系數(shù)降至0.145，但電機的轉(zhuǎn)速還是維持在額定轉(zhuǎn)速240r/min，功率維持在額定功率5000W，可見當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，通過槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)改變風(fēng)電機組葉片攻角，以限制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出有功不超過額定功率5000W，且電機轉(zhuǎn)速不超過額定轉(zhuǎn)速240r/min，保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的平穩(wěn)安全運行。

結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電對緩解我國能源緊缺、保護(hù)自然環(huán)境、推動可持續(xù)性發(fā)展等都具有十分重大的意義。本文以Matlab／Sumlink為軟件平臺，搭建了一套完整的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型并驗證了其中的控制算法策略的可行性與準(zhǔn)確性。

（作者單位：國電南京自動化股份有限公司）