永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略仿真研究

龍萬利，黃筱葉

（湖南平高開關(guān)有限公司，長沙 410008）

0 引言

目前國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要采用永磁直驅(qū)型和雙饋型發(fā)電機(jī).與雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）直接與風(fēng)力機(jī)連接，省去了齒輪箱，具有結(jié)構(gòu)簡單、易維護(hù)、噪聲小、能源轉(zhuǎn)換效率高、故障穿越能力強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)點［1］.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，有效的控制是系統(tǒng)安全可靠運行的關(guān)鍵.本文建立永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制、機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器控制策略的有效性進(jìn)行仿真分析.

1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制

采用雙PWM變流器的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括機(jī)側(cè)AC/DC變流器和網(wǎng)側(cè)DC/AC變流器.

1.1 機(jī)側(cè)變流器控制

風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率為［2］：

式中，Pm為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；ρ為空氣密度；S為橫掃風(fēng)輪的面積；V為風(fēng)速；β為葉片槳距角；λ為葉尖速比.

永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）在dq坐標(biāo)系下電壓方程為［3］：

式中，usd、usq、isd、isq分別為發(fā)電機(jī)定子電壓、電流的d、q軸分量；Rs為定子電阻；ωr為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；Ld和Lq為發(fā)電機(jī)軸d、q電感.

對式（2）進(jìn)行解耦，得機(jī)側(cè)變流器的控制方程為：

由此，可得到機(jī)側(cè)變流器矢量控制算法如圖2所示.采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制方案.q軸采用最大風(fēng)能跟蹤對應(yīng)的最大功率作為外環(huán)功率參考值，與發(fā)電機(jī)實際有功功率比較，得到一個偏差，經(jīng)比例積分控制器得到有功電流參考值，進(jìn)而控制電磁轉(zhuǎn)矩.其與實際的q軸電流產(chǎn)生偏差后，經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)得到 u′sq，與解耦得到的 Δusq相加得到q軸調(diào)制電壓.d軸無功電流參考值＝0，與實際d軸電流偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)得u′sd，然后與解耦得到的Δusd相加得到d軸調(diào)制電壓.如此，得到兩個調(diào)制電壓，經(jīng)dq變換，采用SVPWM調(diào)制法發(fā)出PWM波對機(jī)側(cè)變換器進(jìn)行控制.

圖2 機(jī)側(cè)變流器控制策略原理框圖

1.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制

網(wǎng)側(cè)變流器在dq坐標(biāo)系下的電壓方程為［3］：

式中，ia、ib、ic為三相交流電流；ua、ub、uc變流器交流側(cè)的電壓；ea、eb、ec電網(wǎng)電壓；R、L分別為交流側(cè)的等效電阻和電感.

對式（4）功率解耦后得到網(wǎng)側(cè)變流器的控制方程為：

式中，KiP、KiI分別為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例增益和積分增益；idref、iqref分別為id和iq的給定參考值.

由此，可得網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略框圖如圖3所示.采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制方式.d軸給定直流電壓與實際直流電壓的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)輸出為d軸電流設(shè)定值idref，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到u′gd，解耦運算得到d軸電壓控制量.q軸無功電流參考值 iqref＝0，與實際 q 軸電流 iq偏差經(jīng) PI調(diào)節(jié)得 u′sq，然后與解耦得到的eq-ωeLid相加得到q軸調(diào)制電壓.如此，得到兩個調(diào)制電壓，經(jīng)dq/abc變換，然后采用SVPWM調(diào)制法發(fā)出PWM波對網(wǎng)側(cè)變換器進(jìn)行控制.

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略原理框圖

1.3 最大功率跟蹤控制

最大風(fēng)能跟蹤是當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，提高風(fēng)能利用效率的重要方法.近年來，很多研究人員對風(fēng)能的最大功率跟蹤控制進(jìn)行了廣泛的研究［4-7］.本文在常規(guī)爬山搜索法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用變步長爬山搜索法［8］，流程圖如圖4所示.采樣測量PMSG轉(zhuǎn)子k時刻和k-1時刻旋轉(zhuǎn)角速度ω和電磁轉(zhuǎn)矩Te，計算出k時刻和k-1時刻的機(jī)械功率P（k）、P（k-1），然后計算k時刻和k-1時刻的角速度之差Δω和功率差ΔP，判斷功率差ΔP與設(shè)定的誤差值Perr的大小.如果ΔP大于Perr，則說明此時的功率離最大功率點較遠(yuǎn)，則需要按大步長SL加快擾動；如果ΔP小于Perr，則說明此時功率離最大功率點不遠(yuǎn)，則需要按小步長SL/2減慢擾動.再判斷Δω、ΔP是否同方向，如果Δω、ΔP同方向，則擾動方向按原來方向繼續(xù)擾動；若兩者方向相反，則擾動方向需要改變，則大擾動步長SL也變成-SL，小擾動的話，則SL變成-SL/2.直到P（k）＝P（k-1）結(jié)束爬山搜索.

圖4 變步長爬山搜索法控制策略流程圖

2 仿真分析

根據(jù)上述控制策略，建立永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型如圖5所示.仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 仿真參數(shù)

（續(xù)表1） 仿真參數(shù)

圖5 仿真模型

設(shè)置t＝0～2 s時，風(fēng)速為8 m/s，2～4 s時為額定風(fēng)速12 m/s，仿真波形如圖6所示.

圖6 仿真波形圖

由仿真波形可知，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)始終按捕獲風(fēng)能最大功率點作為機(jī)側(cè)變流器的有功參考值，使得雙PWM始終按給定參考值輸出功率.風(fēng)速由8 m/s變?yōu)?2 m/s時，采用變步長爬山搜索法獲取最大功率后，風(fēng)能利用系數(shù)Cp在風(fēng)速8 m/s時，能達(dá)到約0.43，而Cp在額定風(fēng)速12 m/s時，能達(dá)到約0.48.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率能夠快速響應(yīng)風(fēng)速變化，始終跟隨最大功率點而改變，機(jī)側(cè)變流器在功率電流雙環(huán)控制下發(fā)揮了作用.網(wǎng)側(cè)變流器在電壓電流雙環(huán)控制下，能使直流母線電壓維持在設(shè)定值650 V附近.

3 結(jié)論

本文研究了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略有效性問題.機(jī)側(cè)變流器采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制；網(wǎng)側(cè)變流器采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制；采用變步長爬山搜索法獲得最大風(fēng)能跟蹤功率.建立了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)MATLAB仿真模型.仿真結(jié)果表明，采用該控制策略，系統(tǒng)能跟蹤風(fēng)能最大功率點安全、穩(wěn)定運行，驗證了該控制策略的有效性.