直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電最佳風(fēng)能跟蹤控制與實(shí)驗(yàn)研究

馬啟蒙，李東東，薛 花

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

隨著能源的枯竭和傳統(tǒng)火力發(fā)電對環(huán)境的污染，可再生能源的發(fā)展受到更多的關(guān)注，其中風(fēng)能蘊(yùn)量巨大，發(fā)展迅速.

由于傳統(tǒng)恒速恒頻(Constant Speed Constant Frequency，CSCF)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能利用率較低，基于電力電子和其他新技術(shù)的快速發(fā)展，變速恒頻(Variable Speed Constant Frequency，VSCF)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐漸取代恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成為主流機(jī)組.當(dāng)前應(yīng)用較多的VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Generation，PMSG)和雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā) 電 機(jī) (Doubly Fed Induction Generator，DFIG).［1-3］與 DFIG 相比，PMSG 具有如下優(yōu)點(diǎn):沒有龐大的齒輪箱;發(fā)電機(jī)無需直流勵磁裝置;對于最大風(fēng)能捕獲和網(wǎng)側(cè)變流器可以實(shí)現(xiàn)全控和較強(qiáng)的故障穿越能力，效率及可靠性更高.因此，關(guān)于PMSG的研究和工業(yè)應(yīng)用越來越多.［2-3］

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定風(fēng)速以下時(shí)，需要采用最大功率追蹤控制(Maximum Power Point Tracking，MPPT)保證最大程度利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組效率.風(fēng)力發(fā)電MPPT的控制策略可以歸納為葉尖速比控制、功率信號反饋控制和爬山尋優(yōu)控制3類，功率信號反饋和爬山尋優(yōu)適合風(fēng)速變化較慢的情況.［4-8］在實(shí)驗(yàn)室條件下需要模擬風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的各種工況，鑒于模擬時(shí)間較短，風(fēng)速變化較快，所以本文選用最佳葉尖速比控制策略，根據(jù)風(fēng)速設(shè)定情況和風(fēng)力機(jī)最佳葉尖速比特性得到最佳轉(zhuǎn)速，使PMSG運(yùn)行于最佳轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)MPPT.

本文考慮實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的研究條件，設(shè)計(jì)了一套永磁同步風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)，包含風(fēng)力機(jī)、PMSG硬件電路和控制軟件的設(shè)計(jì)，利用所搭建的模擬系統(tǒng)完成了實(shí)驗(yàn)研究，對提出的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證.

1 永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)變流器(Machine-Side Converter，MSC)、網(wǎng)側(cè)變流器(Grid-Side Converter，GSC)和控制部分組成.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.1 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩方程如下:［9-10］

式中:P——風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率;

T——風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩;

ρ——空氣密度，一般取 1.25 kg/m3;

cp——風(fēng)能利用系數(shù);

R——葉輪的半徑;

A——葉輪的掃掠面積;

cT——轉(zhuǎn)矩系數(shù);

v——風(fēng)速.

其中，cp是風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，表示風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率與風(fēng)力機(jī)的輸入功率的比值.風(fēng)力機(jī)另一個(gè)重要參數(shù)為葉尖速比λ:

式中:λ——葉尖轉(zhuǎn)速比;

R——葉輪的半徑;

ω——風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度;

n——風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速.

cp與葉尖速比和槳距角呈非線性關(guān)系，在固定風(fēng)速下，存在一個(gè)最優(yōu)葉尖速比λopt，使得cp獲得最大值cpmax，風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率最大.不同風(fēng)速對應(yīng)不同的最大輸出功率，設(shè)定風(fēng)速后，可以根據(jù)最佳葉尖速比得到最佳轉(zhuǎn)速，以控制永磁同步發(fā)電機(jī)工作于此轉(zhuǎn)速，同時(shí)控制風(fēng)力機(jī)輸出對應(yīng)的最大輸出功率，實(shí)現(xiàn)功率追蹤.

1.2 PMSG 數(shù)學(xué)模型

按照發(fā)電機(jī)慣例，三相永磁同步發(fā)電機(jī)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下.

定子電壓方程:

定子磁鏈方程:

由式(3)和式(4)可以推導(dǎo)出:

式中:Usd，Usq——定子電壓d軸和q軸分量;

isd，isq——定子電流 d軸和q軸分量;

ψsd，ψsq——定子磁鏈 d 軸和 q 軸分量;

ψ0——轉(zhuǎn)子磁鏈;

rs——定子繞組等效內(nèi)阻;

Ld，Lq——定子繞組電感d軸和q軸分量;

ωe——轉(zhuǎn)子電角速度.

電磁轉(zhuǎn)矩方程:

式中:Te——PMSG電磁轉(zhuǎn)矩;

p——極對數(shù);

ψf——永磁體磁鏈;

Lls——定子繞組漏電感;

Ldm——d軸勵磁電感;

Lqm——q軸勵磁電感.

正常工作情況下，PMSG的d軸與q軸電感差距很小，［3］式(6)可簡化為:

2 變流器控制策略

永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制主要集中在風(fēng)力機(jī)、機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器等方面，風(fēng)力機(jī)的槳距角控制主要在超過額定風(fēng)速時(shí)調(diào)節(jié)槳距角，從而減小風(fēng)能捕獲系數(shù)，降低風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率，保證發(fā)電機(jī)工作在額定功率狀態(tài).［9］機(jī)側(cè)變流器主要控制發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)有功功率調(diào)節(jié)和最佳風(fēng)能跟蹤，網(wǎng)側(cè)變流器控制主要實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)無功功率輸出的控制.

2.1 機(jī)側(cè)變流器控制

機(jī)側(cè)變流器以控制發(fā)電機(jī)輸出有功功率為目標(biāo)，采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、快速電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)矢量控制策略，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 機(jī)側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)

采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，d軸定向于轉(zhuǎn)子磁鏈方向，q軸滯后d軸90°，PMSG定子電壓方程見式(5)，采用id=0控制方式.

通過控制q軸電流分量isq，可以間接控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速.由風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)特性可知，當(dāng)風(fēng)速固定時(shí)，保證轉(zhuǎn)速為最優(yōu)轉(zhuǎn)速ωopt，風(fēng)力機(jī)可以輸出最大功率;通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的最佳風(fēng)能跟蹤控制.

2.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制

為將發(fā)電機(jī)捕獲的最大風(fēng)能饋入電網(wǎng)，需對網(wǎng)測變流器進(jìn)行控制，確保直流側(cè)電壓穩(wěn)定和網(wǎng)測有功、無功解耦.本文采用電網(wǎng)電壓定向控制，選d軸定向于電網(wǎng)側(cè)電壓空間矢量方向，q軸沿電壓旋轉(zhuǎn)方向超前90°，建立同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系.采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)為直流電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，實(shí)現(xiàn)直流電壓控制.為提高發(fā)電機(jī)效率，采用單位功率因數(shù)控制，輸出無功功率為零.網(wǎng)側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)

3 PMSG發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

3.1 PMSG發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

PMSG發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺主要包含硬件主電路和控制系統(tǒng)兩部分.硬件主電路為直流電動機(jī)拖動PMSG發(fā)電，經(jīng)由機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng);控制系統(tǒng)包括直流電動機(jī)控制子系統(tǒng)和永磁發(fā)電機(jī)控制子系統(tǒng)，分別控制直流電動機(jī)和變流器.其中，由西門子調(diào)速器控制的直流電動機(jī)用來模擬風(fēng)力機(jī);永磁發(fā)電機(jī)組變頻器為背靠背雙PWM型變流器，采用DSP控制器控制并網(wǎng).

3.2 PMSG硬件電路設(shè)計(jì)

3.2.1 主電路

系統(tǒng)額定容量為7.5 kW，主電路如圖4所示，主要包括直流電動機(jī)、PMSG發(fā)電機(jī)、背靠背變流器組、直流環(huán)節(jié)、并網(wǎng)濾波電感以及軟啟動開關(guān)等模塊.其中，直流環(huán)節(jié)帶有過壓電阻泄放電路，電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，直流環(huán)節(jié)能量通過電阻泄放，防止電容電壓過高;發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)采用軟啟動電路模式并網(wǎng)，以減小并網(wǎng)沖擊.

圖4 PMSG發(fā)電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)

直流電動機(jī)額定容量為15 kW，PMSG額定容量為7.5 kW，IGBT模塊最高耐壓為1 200 V，最大電流為50 A;直流側(cè)電壓為650 V，電容采用6個(gè)1.0 μF/1 200 V電容并聯(lián)，連接濾波電感為0.96 mH.

3.2.2 控制系統(tǒng)硬件電路

控制單元采用具有150 MHz浮點(diǎn)運(yùn)算能力的DSP——TMS320F28335和FPGA結(jié)合的多處理器新型控制單元，主要包括DSP控制器、電壓電流檢測電路、IGBT驅(qū)動隔離電路以及繼電器控制電路等.

3.3 PMSG控制軟件設(shè)計(jì)

主程序和中斷程序流程圖如圖5和圖6所示.

主程序主要完成系統(tǒng)初始化、外設(shè)中斷初始化、變量和常量定義和初始化、控制并網(wǎng)開關(guān)閉合、檢測直流側(cè)電壓、使能變流器、使能中斷及響應(yīng)中斷等.中斷程序完成實(shí)時(shí)性較高和復(fù)雜度較高的控制算法.本設(shè)計(jì)的中斷主要完成電壓電流信號的采樣、數(shù)據(jù)計(jì)算、電機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)電壓電流的dq變換、機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)電流比例-積分控制、功率比例-積分控制，最后執(zhí)行正弦脈寬調(diào)制生成PWM信號分別控制機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器.

圖5 PMSG發(fā)電系統(tǒng)主程序流程

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

給定風(fēng)速3～12 m/s，風(fēng)速每20 s變換一次，每次遞加1 m/s，上位機(jī)根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)參數(shù)計(jì)算出最大功率處的最佳轉(zhuǎn)速，分別控制直流電動機(jī)和PMSG.

圖6 PMSG發(fā)電系統(tǒng)中斷程序流程

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部分參數(shù)見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具體參數(shù)統(tǒng)計(jì)

風(fēng)速恒定條件下，發(fā)電系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，并網(wǎng)電壓和電流波形分別如圖7和圖8所示，電流頻率為50 Hz左右，符合并網(wǎng)要求.由實(shí)驗(yàn)波形可以看出，并網(wǎng)電壓和電流波形正弦形較好，諧波畸變較小，驗(yàn)證了所采用控制策略的有效性.

圖7 并網(wǎng)電壓波形

風(fēng)速變化條件下，采用階梯型風(fēng)速模型，在實(shí)驗(yàn)室條件下驗(yàn)證風(fēng)速變化對并網(wǎng)電流及功率的影響，根據(jù)風(fēng)速波動瞬間功率的變化情況，檢驗(yàn)了系統(tǒng)控制的有效性.風(fēng)速設(shè)定信號如圖9a所示，圖9b為對應(yīng)的功率趨勢曲線.由圖9可以看出，系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了最佳風(fēng)能追蹤，并且風(fēng)速變化時(shí)，功率波動較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能.

圖8 并網(wǎng)電流波形

圖9 發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)本文提出的最佳轉(zhuǎn)速給定的最佳風(fēng)能跟蹤控制，以轉(zhuǎn)速為中間信號，針對風(fēng)速條件確定情況，給定最優(yōu)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)了最佳風(fēng)能跟蹤的控制策略，較適用于實(shí)驗(yàn)室條件下的風(fēng)力發(fā)電研究.(2)機(jī)側(cè)變流器采用d軸和q軸解耦控制，

通過轉(zhuǎn)速環(huán)實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能跟蹤控制，控制方法原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法在實(shí)驗(yàn)室條件下的良好控制效果.

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