直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制

徐啟超　王猛　李淑賢　蔡亞非

【摘 要】本文提出了一種變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的控制策略（WECS），將最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法運(yùn)用到直驅(qū)永磁同步電機(jī)上（PMSG）。提出一種基于貝茨理論的葉尖速比控制方法在直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，以便實(shí)現(xiàn)對風(fēng)能的最大跟蹤。其次介紹了風(fēng)力機(jī)以及永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了運(yùn)用葉尖速比法的最大功率點(diǎn)跟蹤算法可以提高風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率。

【關(guān)鍵詞】永磁同步電機(jī)；最大風(fēng)能跟蹤原理；葉尖速比控制方法

0 引言

為了完全實(shí)現(xiàn)變速風(fēng)能功率發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)展先進(jìn)的控制方法在變化風(fēng)速下俘獲風(fēng)力機(jī)的最大功率輸出是很重要的。目前主要有葉尖速比法，功率信號反饋法和登山搜索法來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)能的最大跟蹤捕獲。其中，功率信號反饋法和登山搜索法需要對風(fēng)機(jī)的固有特性進(jìn)行測量，增加了系統(tǒng)的運(yùn)行成本和難度。本文采用的是最佳葉尖速比法來實(shí)現(xiàn)對PMSG最大功率的跟蹤控制。

1 PMSG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 PMSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PMSG使用了背靠背形式的雙極性PWM變流器并以此當(dāng)做變流系統(tǒng)的核心，它的結(jié)構(gòu)示意圖如上所示，系統(tǒng)的主要內(nèi)容有傳動主軸與風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙極性PWM變流器、PMSG和其所在的控制系統(tǒng)等，變流系統(tǒng)最主要的部分是雙極性的PWM變流器，它的主要構(gòu)成部分是處于發(fā)電機(jī)一側(cè)的變流器、電網(wǎng)側(cè)的逆變器和處于直流母線側(cè)的電容。

2 最大風(fēng)能捕獲原理

風(fēng)力機(jī)所吸收的功率可以通過貝茨理論表示為P=0.5CpρSV3其中：Cp—風(fēng)能利用系數(shù)；β—空氣密度（Kg/m2）；v—風(fēng)流動速度（m/s）；S—槳葉旋轉(zhuǎn)面積（m2）。

葉尖速比λ、槳葉節(jié)距角β這兩個(gè)因素與風(fēng)能的利用程度有著非常重要的關(guān)系。在λ=ωmR/V，R—風(fēng)力機(jī)槳葉的掃掠半徑（m），ωm—風(fēng)力機(jī)機(jī)輪的機(jī)械角速度（rad/s）。當(dāng)β的數(shù)值被確定的時(shí)候，影響Cp的數(shù)值的因素只有葉尖速比。對于某些比較特別的風(fēng)力機(jī)而言，若β值已知情況下，若使風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)（CPmax）最大，僅有一個(gè)最完美恰當(dāng)?shù)娜~速比λopt值與之符合，更重要的是所對應(yīng)的風(fēng)機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換程度也達(dá)到最高。

3 PMSG在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

PMSG定子線圈三相繞組用A、B、C來表示，實(shí)驗(yàn)假設(shè)定子電壓以及定子電流的方向?yàn)檎?，對于裝式PMSG三相靜止坐標(biāo)系下的模型，若以A相繞組軸線所代表的方向是正方向，B相繞組滯后于A相120°，C相繞組超前A相繞組120°，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場最大值用Ψf表示，磁場在空間按正弦規(guī)律分布，磁場最大值與A相繞組的軸線夾角為θ。

定子三相繞組的電壓方程為：

u■u■u■=R■i■i■i■+■■■

式中，uA、uB、uC—三相定子電壓瞬時(shí)值（V）；iA、iB、iC—三相定子電流瞬時(shí)值（A）；ΨA、ΨB、ΨC—三相定子繞組磁鏈瞬時(shí)值（Wb）；RS—定子電阻（Ω）。

由上式可以看出，永磁發(fā)電機(jī)的電壓方程是非線性方程，方程中的變量是隨永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子的夾角和轉(zhuǎn)速變化而改變的，如果對電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的夾角進(jìn)行測量相對困難，目前采用較多的方法是對發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型變換，獲得相對簡單的等效數(shù)學(xué)模型，因此，對發(fā)電機(jī)的控制就相對簡單一些。

4 最佳葉尖速比控制方法原理

PMSG指的是把風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)不經(jīng)過增速齒輪箱而直接相連的結(jié)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速ω和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωg相同，即ω=ωg，本文通過對PMSG最大功率跟蹤控制所采用的是葉尖速比法。其基本工作原理是在某一個(gè)特定風(fēng)速下，在最優(yōu)葉尖速比下獲得最大的風(fēng)機(jī)能量，為了對風(fēng)能資源的最大利用，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子速度會隨風(fēng)速做相應(yīng)的改變從而實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。

依據(jù)上述的風(fēng)力機(jī)特性，根據(jù)公式λ=ωmR/V（R表示為風(fēng)力機(jī)葉片半徑），計(jì)算出在任意時(shí)刻風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，并且通過安裝在風(fēng)力機(jī)上的速度觀察器獲得當(dāng)前風(fēng)力機(jī)的速度，所得到的反饋速度和最優(yōu)轉(zhuǎn)速比較，把比較結(jié)果送到控制器中，控制器的作用是根據(jù)輸入結(jié)果來控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)能的最大功率跟蹤。

5 結(jié)語

本文的主要內(nèi)容是對PMSG的工作原理及最大風(fēng)能捕獲方式進(jìn)行分析研究，對比三種風(fēng)能最大跟蹤控制所有的方法，提出了最佳葉尖速比控制方法來實(shí)現(xiàn)PMSG的最大風(fēng)能跟蹤控制。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]