永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)變流器控制的研究

徐清彬++徐斯銳++周芝峰

摘 要：由于直接轉(zhuǎn)矩控制省去了復(fù)雜的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及解耦運(yùn)算，可直接控制轉(zhuǎn)矩，所以，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比矢量控制快。因此，將其應(yīng)用在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，對(duì)風(fēng)機(jī)快速跟蹤、捕獲風(fēng)能具有重要意義——可增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)快速響應(yīng)的能力?；贛ATLAB/Simulink平臺(tái)進(jìn)行了直接轉(zhuǎn)矩控制方案仿真研究，結(jié)果表明，機(jī)側(cè)變流器采用直接轉(zhuǎn)矩控制的響應(yīng)速度比較理想。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；機(jī)側(cè)變流器；風(fēng)力發(fā)電機(jī)

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.005

在能源緊缺和環(huán)保呼聲日益強(qiáng)烈的今天，新能源發(fā)電受到了世界各國(guó)的重視，而風(fēng)能作為清潔的可再生資源，自然引起了人們的關(guān)注，進(jìn)入21世紀(jì)后，風(fēng)力發(fā)電更是得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，基于效率、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等因素的考慮，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)由傳統(tǒng)的恒速恒頻演進(jìn)到了現(xiàn)在的變速恒頻。

目前，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要有雙饋異步風(fēng)力發(fā)電和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電兩種典型方案。其中，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電技術(shù)較為成熟，但永磁直驅(qū)型省去了齒輪箱環(huán)節(jié)，其可靠性和效率比雙饋異步型高，且易實(shí)現(xiàn)對(duì)有功/無功的控制和滿足輸出諧波低的要求。此外，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和高性能永磁材料的出現(xiàn)，永磁同步電機(jī)的價(jià)格越來越低、體積越來越小、性能越來越高，因此，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)之一。

在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，機(jī)側(cè)變流器的主要作用是整流，其常用結(jié)構(gòu)有不控制整流、不控整流+Boost升壓、相控整流和四象限整流。由于機(jī)側(cè)變流器采用四象限整流時(shí)的功率可雙向流動(dòng)且控制比較靈活，所以，本文對(duì)雙PWM型變流器的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了機(jī)側(cè)變流器的控制。為了提高風(fēng)機(jī)的快速響應(yīng)能力，引進(jìn)了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)控制永磁同步發(fā)電機(jī)，與傳統(tǒng)的矢量控制進(jìn)行了比較，并用MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和對(duì)比。

1 永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

永磁同步發(fā)電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Generator，簡(jiǎn)稱“PMSG”）不需要裝備勵(lì)磁繞組，比傳統(tǒng)的電勵(lì)磁繞組體積小，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，未安裝集電環(huán)和電刷，可靠性有所提高。在建立數(shù)學(xué)模型前，要做以下假設(shè)：忽略鐵芯的飽和；不計(jì)渦流和磁滯損耗；轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)磁場(chǎng)在氣隙中均呈正弦分布?；谝陨霞僭O(shè)，下面分別在三相靜止（ABC）坐標(biāo)系、兩相靜止（αβ）坐標(biāo)系下建立三相永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

1.1 三相靜止坐標(biāo)系下的模型

三相靜止坐標(biāo)系下PMSG的定子電壓空間矢量方程為：

. （1）

式（1）中：us為定子電壓矢量；is為定子電流矢量；Rs為定子相電阻；Ls為定子繞組的自感；ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；θe為電角度。

定子電壓回路方程為：

. （2）

式（2）中：uA，uB，uC為定子各相繞組的電壓；iA，iB，iC為定子各相繞組的電流；eA，eB，eC為各相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；

Lm為各相繞組的互感；p為微分算子。其中， 的計(jì)算方法為：

. （3）

式（3）中：ωe為電角速度。

1.2 兩相靜止坐標(biāo)系下的模型

將電機(jī)的定子放在αβ坐標(biāo)系下，并將α軸定在A相繞組軸線上，用兩相正交繞組等效代替原來的三相繞組，這樣可簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型。經(jīng)Clarke變換后的定子電壓方程為：

. （4）

式（4）中：uα和uβ為兩相靜止坐標(biāo)系下定子電壓α和β的軸分量；iα和iβ為兩相靜止坐標(biāo)系下定子電流α和β的軸分量；Lα和Lβ為兩相靜止坐標(biāo)系下電感α和β的軸分量，3Ls/2.

2 直接轉(zhuǎn)矩控制的原理

直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，簡(jiǎn)稱“DTC”）最先由德國(guó)魯爾大學(xué)的Depenbrock教授在1985年提出。該技術(shù)放棄了解耦的思想，采用定子磁場(chǎng)定向，直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的變化和定子磁鏈所在的扇區(qū)選擇電壓空間矢量，其控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。該控制技術(shù)中沒有坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，且擺脫了轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，具有較高的魯棒性，在很大程度上解決了矢量控制技術(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢的問題。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制框圖

2.1 轉(zhuǎn)矩的生成和控制

面裝式PMSG的定子電流和磁鏈?zhǔn)噶咳鐖D2所示，在PMSG中存在3個(gè)磁場(chǎng)：由永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)ψf、由電流矢量產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)Lsis和由兩者合成的定子磁場(chǎng)ψs。電磁轉(zhuǎn)矩可看成是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)ψf和定子磁場(chǎng)ψs相互作用的結(jié)果，即：

. （5）

轉(zhuǎn)換為標(biāo)量式：

. （6）

轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶喀譮的幅值保持不變，如果能控制定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻為常值，則電磁轉(zhuǎn)矩就僅與δsf有關(guān)，進(jìn)而通過控制δsf可控制電磁轉(zhuǎn)矩。

在坐標(biāo)系A(chǔ)BC中，如果忽略定子電阻的影響，則us=dψs/dt.在△t內(nèi)，矢量ψs的增量△ψs等于us×△t，△ψs與us的方向相同，可近似表示為△ψs=us△t，則定子磁鏈?zhǔn)噶繛椋?/p>

ψs=|ψs|ejρs. （7）

式（7）中： ；ωs為ψs的旋轉(zhuǎn)速度。則：

. （8）

式（8）中：usr=d|ψs|/dt；usn=ωs|ψs|.

可用外加電壓us控制ψs，用其徑向分量控制ψs幅值的變化，用其切向分量控制ψs的轉(zhuǎn)速ωs。

2.2 磁鏈和轉(zhuǎn)矩的預(yù)估

PMSG的定子磁鏈?zhǔn)噶靠捎啥ㄗ与妷菏噶亢投ㄗ与娏魇噶款A(yù)估：

. （9）

ψs的幅值和相角可由其在定子坐標(biāo)系αβ的2個(gè)分量uα和uβ確定，即：

. （10）

則：

. （11）

則：

. （12）

因此，轉(zhuǎn)矩的估算公式為：

. （13）

2.3 滯環(huán)比較控制開關(guān)表的生成

PMSG的滯環(huán)控制用2個(gè)滯環(huán)比較器分別控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩偏差。給定磁鏈與估計(jì)磁鏈比較后可得偏差，如果該偏差>0，則令磁鏈滯環(huán)比較器輸出為1，表示磁鏈應(yīng)增大；如果偏差<0，則令輸出為0，表示磁鏈應(yīng)減小。同理，對(duì)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器的操作相同。結(jié)合磁鏈所在的扇區(qū)選擇相應(yīng)的電壓矢量，各電壓矢量與定子磁鏈扇區(qū)的分布如圖3所示，最終生成的開關(guān)表如表1所示。

圖2 面裝式PMSG的定子電流和磁鏈?zhǔn)噶?圖3 電壓矢量與定子磁鏈扇區(qū)的分布圖

表1 電壓矢量選擇開關(guān)表

△ψ △t S

① ② ③ ④ ⑤ ⑥

1 1 us2 us3 us4 us5 us6 us1

0 us6 us1 us2 us3 us4 us5

0 1 us3 us4 us5 us6 us1 us2

0 us5 us6 us1 us2 us3 us4

3 仿真參數(shù)和結(jié)果

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

永磁同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置為：定子電阻Rs=1.3 Ω，定子電感Ld=Lq=0.71×10-3，轉(zhuǎn)子磁鏈ψf=0.175 V·s，極對(duì)數(shù)ρ=4，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.000 8 kg·m2。設(shè)風(fēng)力機(jī)槳葉掃略半徑為1 m，空氣密度為ρ=1.225 kg/m3，最大功率跟蹤時(shí)的最佳葉尖速比λopt=8，風(fēng)能利用系數(shù)Cp=0.44.

3.2 仿真結(jié)果

當(dāng)風(fēng)速在0.05 s由7.5 m/s躍變?yōu)?0 m/s時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定應(yīng)由30 rad/s變?yōu)?0 rad/s。最終仿真輸出結(jié)果為：風(fēng)速在7.5 m/s時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為286.5 rpm，在0.05 s后經(jīng)過4 ms左右的時(shí)間穩(wěn)定在286.5 rpm，轉(zhuǎn)速波形如圖4所示。在此情況下，發(fā)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩由12 N·m變?yōu)?1 N·m，轉(zhuǎn)矩波形如圖5所示；功率由0.36 kW變?yōu)?.84 kW，功率曲線如圖6所示。

圖4 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖5 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖6 功率響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

從仿真結(jié)果看，機(jī)側(cè)變流器采用直接轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，小慣性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非常理想，約為4 ms，且其穩(wěn)定性能較為理想，因此，將其應(yīng)用在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電全功率變流器機(jī)側(cè)控制系統(tǒng)中控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)，對(duì)提高風(fēng)機(jī)的快速響應(yīng)能力有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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文章編號(hào)：2095-6835（2015）18-0007-02