基于RT-LAB兆瓦級PMSG實時仿真及最大功率跟蹤

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

近些年，風電作為一種清潔、綠色的可再生能源，在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展[1]。但由于風具有爆發(fā)性、間歇性、瞬時性，這使得風力發(fā)電系統(tǒng)很難充分的獲取風能。因此，研究風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤對于系統(tǒng)實現(xiàn)最大風能捕獲具有重要意義。

目前，對風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤[2-3](MPPT)的研究大多只進行了全仿真分析，不能真實反映風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤的實況，而且，這樣分析研究會顯得過于理想，直接在真實系統(tǒng)中應用可能帶來很大風險。另外，由于永磁直驅(qū)風力發(fā)電機多為幾兆瓦，在對其進行穩(wěn)定性分析時，很難進行真實系統(tǒng)的實驗。

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，實時仿真技術(shù)成為電力系統(tǒng)仿真研究的一種新手段，它結(jié)合了數(shù)字仿真和物理仿真的優(yōu)點，被應用于新能源并網(wǎng)、微電網(wǎng)運行及控制等領(lǐng)域的研究[4-5]。相比于其他實時仿真實驗平臺，RT-LAB半實物仿真平臺可以實現(xiàn)與MATLAB/Simulink完全兼容，可以直接將利用MATLAB/Simulink建立的動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學模型應用于實時仿真、控制、測試的各個環(huán)節(jié)。RT-LAB實時仿真平臺可以通過I /O口與外部硬件相連接，實現(xiàn)風電控制器的硬件在環(huán)，并可以模擬真實系統(tǒng)實時仿真過程中的在線調(diào)參，便于分析系統(tǒng)的動態(tài)過程。因此RT-LAB半實物平臺為建立永磁直驅(qū)風力發(fā)電機模型提供了非常有效的技術(shù)手段。

本文對風力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤(MPPT)進行了研究?；赗T-LAB實時仿真平臺搭建了2.5MW直驅(qū)式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對不同風速條件下，直驅(qū)式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)工作情況進行了實時仿真實驗，根據(jù)實驗結(jié)果分析了不同風速下最大功率跟蹤的特性。

2 兆瓦級直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)組成

本文以2.5MW直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象，如圖1為PMSG系統(tǒng)主電路拓撲。

圖1 永磁直驅(qū)同步風力發(fā)電系統(tǒng)

從圖1可知，永磁直驅(qū)風機機組有風機模型、風力機模型、永磁同步發(fā)電機、全功率變頻器、風力機組控制系統(tǒng)、變槳偏航執(zhí)行機構(gòu)以及電網(wǎng)等部分組成[6]。

其中風力機主要將風能轉(zhuǎn)化為機械功率，永磁同步發(fā)電機將機械功率轉(zhuǎn)換為電功率。風力機組控制系統(tǒng)、變槳偏航執(zhí)行機構(gòu)主要實現(xiàn)風機的控制，實現(xiàn)不同風速水平下最大功率點跟蹤以及額定功率的輸出。

3 基于RT-LAB的風力發(fā)電系統(tǒng)建模

半實物仿真又稱硬件在環(huán)仿真，RT-LAB仿真平臺是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一套半實物實時仿真平臺系統(tǒng)，采用CPU+FPGA的硬件架構(gòu)。通過RT-LAB，可以直接將利用MATLAB/Simulink建立的動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學模型應用于實時仿真、控制、測試以及其它相關(guān)領(lǐng)域。

本文在MATLAB/Simulink環(huán)境中建立永磁直驅(qū)風力發(fā)電機系統(tǒng)模型，結(jié)合硬件在環(huán)作為研究平臺。根據(jù)RT-LAB半實物仿真平臺建立模型的要求，將建立的永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)模型劃分為兩個子系統(tǒng)：SM_Type4Turbine和SC_display子系統(tǒng)，如圖2所示。

SM_Type4Turbine為主(Main)子系統(tǒng)，負責模型和外部信號的解算，包含信號輸入輸出端口、PMSG模型等。SC_display為控制臺子系統(tǒng)，與主子系統(tǒng)異步運行，負責對主子系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

圖2 PMSG系統(tǒng)實時仿真模型頂層子系統(tǒng)

3.1 PMSG模型

在RT-LAB仿真平臺中建立了永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組仿真模型，如圖3為直驅(qū)永磁式風力發(fā)電控制模型，部分參數(shù)如表1所示。

表1 PMSG參數(shù)

4 直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機最大功率跟蹤控制

如等式(1)所示，為了控制捕獲的機械T功率，在給定風速下，唯一的可控項是功率系數(shù)，公式(2)為功率系數(shù)：

(1)

(2)

功率系數(shù)特性如圖4所示。從該圖中可以看出，不同的功率系數(shù)曲線對應于不同的漿距角。對于每種情況，存在最佳葉尖速比，其有助于峰值功率系數(shù)值，其進而導致最大功率捕獲。

當風速值較低時，因葉尖速比與漿距角相關(guān)，所以通過實時調(diào)節(jié)漿距角，使其能夠跟蹤風速的變化，使風機運行在最優(yōu)葉尖速比，實現(xiàn)最佳利用系數(shù)，從而獲取最大化輸?shù)某龉β?，如圖5所示。

當風速超出額定風速時，風機進入控制變槳階段。此階段需要風機工作在額定功率輸出，通過漿距角控制，使發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速附近，使風機工作在額定功率輸出，如圖6所示。

圖3 直驅(qū)永磁式風力發(fā)電控制模型

圖4 葉尖速比

圖5 漿距角控制

圖6 最大功率跟蹤控制

5 基于RT-LAB實時仿真與結(jié)果分析

為了驗證變化對風機運行的影響，在RT-LAB中仿真測試了切入風速和額定風速的運轉(zhuǎn)情況，如圖7所示。

如圖7為衰減到1/300的風機輸出電流波形，在仿真結(jié)果中可以看出，根據(jù)不同的風速水平，系統(tǒng)性能具有不同的特點，其如下：

(1)風速為3m/s：風速已進入切入速度，這意味著所產(chǎn)生的電功率足以補償內(nèi)部功耗損耗。因此，風力渦輪機開始旋轉(zhuǎn)，并且PMSG開始產(chǎn)生電力，輸出功率持續(xù)，單輸出功率相對較小，隨著風速的增加，電磁轉(zhuǎn)矩和發(fā)電量會逐漸增加，此時輸出電流為600A。

圖7 PMSG輸出電流Iabc的波形

(2)風速為10m/s：風機進入額定風速。經(jīng)過控制系統(tǒng)控制，系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)，風機工作在額定功率，實現(xiàn)了最大功率跟蹤。在穩(wěn)態(tài)下，可以計算發(fā)電機轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩和發(fā)電量的理論值，以驗證仿真結(jié)果。此時系統(tǒng)功率持續(xù)，輸出電流為3900A。

(3)風速超出25m/s：由于風速不斷增加，超過切出風速，對系統(tǒng)上的電氣和機械應力構(gòu)成威脅，系統(tǒng)停機，輸出功率為零。

6 結(jié)論

本文對風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤(MPPT)進行了研究，搭建了基于RT-LAB實時仿真平臺2.5MW直驅(qū)式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對不同風速條件下，直驅(qū)式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)工作情況進行了實時仿真實驗，根據(jù)實驗結(jié)果分析了不同風速下最大功率跟蹤的特性，研究結(jié)果表明：基于RT-LAB建立的2.5MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)了最大功率跟蹤。