基于永磁同步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬器研究*

馮承超，　顏建虎，　劉　丹，　李　強(qiáng)

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京　210094)

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基于永磁同步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬器研究*

馮承超，顏建虎，劉丹，李強(qiáng)

(南京理工大學(xué)，江蘇 南京210094)

摘要：分析了風(fēng)力機(jī)的輸出特性，建立了風(fēng)力機(jī)模型，通過比較風(fēng)力機(jī)和永磁同步電機(jī)(PMSM)特性，提出了基于PMSM風(fēng)力機(jī)模擬的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制方案；對(duì)PMSM采用ispan=0的矢量控制方案，滿足風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出特性的模擬要求。該風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)應(yīng)用于離網(wǎng)型變速恒頻永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速、全轉(zhuǎn)速范圍的風(fēng)力機(jī)特性輸出，滿足了永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行最大功率追蹤的需要。搭建了一套完整的風(fēng)力發(fā)電模擬試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了PMSM模擬風(fēng)力機(jī)的可行性。

關(guān)鍵詞:風(fēng)力機(jī)模擬； 永磁同步電機(jī)； 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)； 矢量控制； 最大功率追蹤

0引言

風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔、可再生的綠色能源利用方式，已成為解決全球性的能源與環(huán)境危機(jī)的重要途徑之一[1-2]。風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用乃至更大范圍的推廣，都將依賴于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益發(fā)展與成熟[3-4]。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是相對(duì)比較復(fù)雜的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，系統(tǒng)中的電力電子變流器裝置及其對(duì)應(yīng)的控制技術(shù)等仍然需要大量的試驗(yàn)研究。但是在實(shí)驗(yàn)室條件下，通常不具備風(fēng)場(chǎng)條件和風(fēng)力機(jī)，因此對(duì)風(fēng)電技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究帶來了很大的限制。通常的解決方案是使用電動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下的輸出特性，從而代替實(shí)際風(fēng)力機(jī)在風(fēng)電系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)作用，構(gòu)成完整的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。因此，在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬器(Wind Turbine Simulator， WTS)的研究與應(yīng)用，對(duì)風(fēng)電技術(shù)的研究具有十分重要的價(jià)值[5-11]。

在WTS研究中，大部分采用直流電機(jī)[12-15]和感應(yīng)電機(jī)[16-18]。但是由于直流電機(jī)本身存在電刷和滑環(huán)，限制其功率的提高，不適于構(gòu)建兆瓦級(jí)大功率風(fēng)電試驗(yàn)平臺(tái)。近年來，隨著電力電子技術(shù)及變頻技術(shù)的發(fā)展，采用異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Machine， PMSM)實(shí)現(xiàn)WTS的方案逐步被提出和研究。文獻(xiàn)[17]采用基于離散空間矢量調(diào)制的異步電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)特性，改善了傳統(tǒng)異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制帶來的低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、電流畸變等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[18]利用變頻器、異步電機(jī)等構(gòu)建了WTS系統(tǒng)，模擬器采用轉(zhuǎn)速外環(huán)而沒有直接輸出轉(zhuǎn)矩特性，但其性能還有待提高。文獻(xiàn)[19]采用PMSM模擬了穩(wěn)態(tài)時(shí)的風(fēng)力機(jī)特性。文獻(xiàn)[20]提出采用直接轉(zhuǎn)矩控制的方案對(duì)WTS進(jìn)行設(shè)計(jì)。

相對(duì)于異步電機(jī)解耦及控制復(fù)雜的缺點(diǎn)，PMSM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩特性好、調(diào)速范圍寬、控制算法相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此PMSM作為WTS的可行性較強(qiáng)[21-23]。本文以PMSM作為原動(dòng)機(jī)，提出并設(shè)計(jì)了一套完整的風(fēng)力機(jī)模擬方案，模擬風(fēng)力機(jī)輸出的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。在對(duì)風(fēng)力機(jī)動(dòng)靜態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)PMSM的轉(zhuǎn)矩控制方案。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了文中理論分析的正確性和控制方案的可行性。

1風(fēng)力機(jī)及PMSM特性分析

1.1風(fēng)力機(jī)特性

通常的風(fēng)力機(jī)為水平軸、三葉片、上風(fēng)向的結(jié)構(gòu)[19-20]。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，風(fēng)力機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩為

(1)

(2)

式中：Po——風(fēng)力機(jī)輸出氣動(dòng)功率；

To——風(fēng)力機(jī)輸出氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

ρ——空氣密度；

R——槳葉半徑；

v——風(fēng)速；

ωm——風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速；

λ——葉尖速比，λ=ωmR/v；

β——槳距角；

Cp(λ，β)——風(fēng)能利用系數(shù)；

CT(λ，β)——轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

其中，CT(λ，β)=Cp(λ，β)/λ，而Cp(λ，β)是λ和β的函數(shù)，因此控制槳距角β恒定，則風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)Cp和轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT僅與葉尖速比λ有關(guān)。本文設(shè)定槳距角β恒等于零，風(fēng)能利用系數(shù)Cp和葉尖速比λ之間的關(guān)系如圖1所示。對(duì)于一個(gè)特定的風(fēng)力機(jī)，Cp是λ的單值函數(shù)，并且有唯一的峰值點(diǎn)，Cp峰值對(duì)應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)稱為最大風(fēng)能利用系數(shù)，用Cpmax表示，對(duì)應(yīng)的葉尖速比稱為最佳葉尖速比，用λopt表示。當(dāng)λ大于或者小于λopt時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)都會(huì)小于最大值，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率降低。

圖1　定槳距風(fēng)力機(jī)Cp-λ曲線

本文選用風(fēng)能利用系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式建立風(fēng)力機(jī)模型，經(jīng)驗(yàn)算式如下：

(3)

其中，λ1為中間變量，其表達(dá)式為

(4)

為了盡量符合小型風(fēng)力機(jī)的模型，提高控制器的運(yùn)算效率，在令β=10的條件下對(duì)式(3)進(jìn)行多項(xiàng)式分段擬合。擬合結(jié)果如式(5)所示，其結(jié)果表明，選用3次多項(xiàng)式分4段擬合，Cp-λ曲線精度可達(dá)千分之一，已經(jīng)滿足工程試驗(yàn)需求。

(5)

本文中Cpmax=0.28，λopt=5.44，所模擬的風(fēng)力機(jī)槳葉半徑R=0.65m，取空氣密度ρ=1.28kg/m3。根據(jù)上述分析，本文所構(gòu)建的WTS的功率-轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性如圖2所示。由于功率輸出曲線和轉(zhuǎn)矩輸出曲線均反映了風(fēng)力機(jī)的輸出特性，因此只要針對(duì)其中一條曲線設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)的控制方案，即可完成風(fēng)力機(jī)的輸出特性模擬。在實(shí)現(xiàn)過程中，輸出轉(zhuǎn)矩特性模擬相對(duì)控制簡(jiǎn)單，因此本文模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出特性。

圖2　風(fēng)力機(jī)輸出特性

1.2PMSM特性分析

PMSM的定子繞組做成三相正弦分布繞組，轉(zhuǎn)子采用永磁體代替電勵(lì)磁，當(dāng)在定子繞組中通以三相對(duì)稱交流電時(shí)，就能產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，并且在定子繞組中感應(yīng)出正弦波反電勢(shì)。PMSM具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)高、輸出機(jī)械特性好等優(yōu)點(diǎn)，在眾多伺服、調(diào)速等場(chǎng)合被廣泛應(yīng)用。本文選用表貼式PMSM作為WTS，并采用矢量控制技術(shù)進(jìn)行控制。

假設(shè)電機(jī)參數(shù)理想對(duì)稱，并且忽略電機(jī)損耗，則在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

(6)

(7)

式中：ud、uq——電機(jī)定子電壓的d、q軸分量；

id、iq——定子電流的d、q軸分量；

Ld、Lq——定子電感的d、q軸分量；

Rs——定子相電阻；

ωs——電角頻率；

ψf——永磁體磁鏈。

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程如下：

(8)

式中：Te——電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；

p——電機(jī)極對(duì)數(shù)。

本文采用id=0的電流控制方案，因此電磁轉(zhuǎn)矩方程可以簡(jiǎn)化為

(9)

由式(9)可知，電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩可簡(jiǎn)化為定子電流q軸分量iq的單值函數(shù)，故只需對(duì)iq進(jìn)行追蹤控制，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制。結(jié)合式(2)、式(5)及式(9)，在已知當(dāng)前風(fēng)速v和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ωm的情況下，計(jì)算出所需追蹤的iq電流值。傳統(tǒng)的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，為了追蹤iq電流達(dá)到控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的目的，控制器斷開轉(zhuǎn)速環(huán)，僅使用電流單環(huán)。

1.3基于PMSM的WTS實(shí)現(xiàn)

圖3所示為本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電模擬試驗(yàn)平臺(tái)。其中虛線部分為風(fēng)力機(jī)模擬器部分，包括上位機(jī)、主控制板(TMS320F28335 DSP)、主功率板、PMSM。模擬器負(fù)載為永磁同步發(fā)電機(jī)及其變流器整流部分。

圖3　基于PMSM的WTS系統(tǒng)平臺(tái)

上位機(jī)系統(tǒng)采用PC機(jī)配以基于MFC的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)上位機(jī)程序，用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)的啟停、風(fēng)速設(shè)定、風(fēng)力機(jī)運(yùn)行模式、發(fā)電機(jī)運(yùn)行追蹤模式等功能，同時(shí)顯示系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流波形等參數(shù)。主控制板部分通過串口接收上位機(jī)運(yùn)行指令，根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速信息控制WTS的輸出轉(zhuǎn)矩和永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。主功率板部分接收控制在PMSM正確模擬風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的同時(shí)，通過控制永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可控制風(fēng)力機(jī)負(fù)載大小。

圖4　PMSM模擬風(fēng)力機(jī)控制示意圖

2仿真

為了驗(yàn)證本文所提出方案的可行性，在MATLAB/Simulink仿真軟件中進(jìn)行了基于PMSM的WTS轉(zhuǎn)矩輸出特性的仿真研究。表1所示為仿真試驗(yàn)系統(tǒng)主要參數(shù)。

表1　仿真試驗(yàn)系統(tǒng)主要參數(shù)

風(fēng)速一定時(shí)，風(fēng)力機(jī)拖動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)，通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，則實(shí)時(shí)的葉尖速比逐漸從零上升到較大值。根據(jù)上述對(duì)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出特性模擬方案可知，相對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩先上升后下降。隨著風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的上升，當(dāng)風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速維持在某個(gè)較高轉(zhuǎn)速達(dá)到平衡。這個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩即發(fā)電機(jī)能提供的轉(zhuǎn)矩和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的摩擦轉(zhuǎn)矩之和。

圖5所示為風(fēng)速在7m/s、8m/s、9m/s時(shí)，風(fēng)力機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線。WTS輸出轉(zhuǎn)矩特性與風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性吻合，說明了PMSM作為WTS的可行性以及本文所提的轉(zhuǎn)矩特性模擬方案的正確性。

圖5　風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線仿真

3試驗(yàn)

圖6所示為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)。其中WTS部分包括PMSM、主控制板、主功率板等，發(fā)電機(jī)部分包括永磁同步發(fā)電機(jī)、主控制板、主功率板、直流負(fù)載等。試驗(yàn)所用電機(jī)參數(shù)與仿真參數(shù)相同。

圖6　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

圖7所示為風(fēng)速為7m/s和9m/s時(shí)，WTS在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩曲線。

圖7(a)、7(b)給出風(fēng)速為7m/s時(shí)，WTS運(yùn)行在200r/min、300r/min、400r/min、500r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線；圖7(c)、7(d)為風(fēng)速為9m/s時(shí)WTS運(yùn)行在不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩輸出曲線。不同風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，能很快地跟蹤上相應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，并且輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，說明WTS具有足夠的轉(zhuǎn)矩輸出能力及較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力。

圖8所示為風(fēng)速為7m/s、8m/s和9m/s時(shí)的WTS轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速輸出特性。

試驗(yàn)中，為了克服較低轉(zhuǎn)速下的功率板損耗和摩擦阻力，轉(zhuǎn)速較低階段采用恒轉(zhuǎn)矩輸出。轉(zhuǎn)速達(dá)到轉(zhuǎn)速上限時(shí)，模擬器輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載提供的轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速維持在轉(zhuǎn)速上限值。全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩特性輸出是對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在給定風(fēng)速下不同轉(zhuǎn)速點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩輸出，反映了WTS模擬輸出風(fēng)機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的能力。在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，WTS模擬輸出的各個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)都跟蹤上了風(fēng)力機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性模擬。

圖7　WTS轉(zhuǎn)速-時(shí)間、轉(zhuǎn)矩-時(shí)間曲線

圖8　全轉(zhuǎn)速范圍WTS轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性

4結(jié)語

本文分析了風(fēng)力機(jī)特性和PMSM輸出轉(zhuǎn)矩特性，提出了基于PMSM矢量控制的風(fēng)力機(jī)模擬方案。采用id=0的電流控制方案，通過控制旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系q軸電流分量來跟蹤不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩特性，從而模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線。仿真和試驗(yàn)結(jié)果都表明了PMSM作為WTS原動(dòng)機(jī)以及本文所提出控制方案的可行性。構(gòu)建了一套完整的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電模擬平臺(tái)，為作為風(fēng)力機(jī)負(fù)載的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制的研究奠定了基礎(chǔ)。

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Study of Wind Turbine Simulator System Based on Permanent

Magnet Synchronous Motor

FENGChengchao，YANJianhu，LIUDan，LIQiang

(Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China)

Abstract：The output characteristics of wind turbine(WT) and its mathematical model were analyzed and established. Based on these， the control method of wind turbine simulation(WTS)in accordance with torque-speed curve was proposed by comparing the characteristics of WT and PMSM. To satisfy the requirements of the torque characteristic of WT， the vector control strategy byispan=0 was adopted in it. This WTS was applied in variable speed constant frequency off-grid permanent magnet synchronous wind power system(WPS). Its output characteristics in various speeds of wind and motor shaft could meet the requirements for maximum power point tracking(MPPT) for PMSG control. A platform for WPS was constructed to verify the feasibility of the proposed WTS control method.

Key words：wind turbine simulator； permanent magnet synchronous machine(PMSM)； wind power system； vector control； maximum power point tracking(MPPT)

收稿日期：2015-08-31

中圖分類號(hào)：TM 351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2016)01- 0067- 05

作者簡(jiǎn)介：顏建虎(1983—)，男，博士，講師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制相關(guān)研究工作。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51407094)；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20140785)

李強(qiáng)(1969—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)研究工作。