直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真與優(yōu)化控制

（江蘇國信臨海風(fēng)力發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224000）

一、直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常見模型

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)驅(qū)動動力來源于風(fēng)機(jī)，這不僅能夠減少系統(tǒng)維護(hù)成本，降低機(jī)械損耗，而且還能提高系統(tǒng)控制效率，這一系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、靈活控制優(yōu)點(diǎn)。針對其仿真過程具體分析，即通過觀察參數(shù)變化來獲得仿真分析結(jié)果。下文介紹常見系統(tǒng)模型，以便為仿真分析奠定理論基礎(chǔ)。

（一）風(fēng)輪機(jī)模型。這一模型即系統(tǒng)借助背靠背變換器連接于電網(wǎng)，將風(fēng)輪機(jī)設(shè)備視為剛體，針對該設(shè)備動態(tài)描述時(shí)，借助一階簡化模型完成動態(tài)描述任務(wù)。在這一過程中，應(yīng)用公式計(jì)算得出系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)，需要說明的是，風(fēng)輪機(jī)負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換工作，即風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其中，機(jī)械功率計(jì)算方法為：1/2× 空氣密度 × 風(fēng)輪機(jī)葉片接觸面積 × 風(fēng)速 × 風(fēng)輪機(jī)輸出功率系數(shù) ×槳葉節(jié)距角和葉尖速度比函數(shù)。

（二）永磁發(fā)電機(jī)模型。該模型具體包括精確模型和實(shí)用模型兩部分，其中，精確模型準(zhǔn)確確定永磁體基波勵磁磁場軸線，并合理設(shè)置電流輸出方向，應(yīng)用定子電壓方程求得直軸分量以及交軸分量。對于實(shí)用模型，即在電力系統(tǒng)動態(tài)分析的基礎(chǔ)上，借助定子電壓方程求得電子系統(tǒng)動態(tài)值。

（三）變換器模型。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成部分包括三部分，第一部分即電容器，第二部分即發(fā)電機(jī)側(cè)變換器，第三部分即網(wǎng)絡(luò)側(cè)變換器。具體組成內(nèi)容包括發(fā)電機(jī)端電壓、并聯(lián)電容器電壓、發(fā)電機(jī)測控控制器電流、網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制器電流、電容器電流、網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制器電壓。

二、工作原理

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是由風(fēng)輪機(jī)直接耦合永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)輸出由可控硅整流后，再經(jīng)過逆變器將能量發(fā)送給電網(wǎng)或蓄電池。其基本原理是利用風(fēng)力帶動風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，拖動直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變頻恒速控制是在定子回路中實(shí)現(xiàn)的，把直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)變頻的交流電通過變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻的交流電，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)，因此變頻器的容量與系統(tǒng)的額定容量相同。

三、仿真分析

（一）系統(tǒng)仿真波形。由基礎(chǔ)風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)疊加而成的自然風(fēng)作為直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸入風(fēng)速。由直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)可知，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著輸入風(fēng)速的變化而變化，發(fā)電機(jī)側(cè)輸出有功功率曲線與最大功率追蹤曲線吻合，表明發(fā)電機(jī)能較好地跟蹤最大風(fēng)功率。

（二）發(fā)電機(jī)模型適用性比較。將發(fā)電機(jī)精確模型和實(shí)用模型分別與負(fù)載相連，設(shè)置負(fù)載電阻在 100s 時(shí)由 1.4 pu 突變至 1 pu，風(fēng)速維持 10m/s 的恒定值。由此可知，精確模型在 100s 處波形變化明顯。精確模型計(jì)及定子電磁暫態(tài)過程，當(dāng)電阻負(fù)載下降時(shí)，電流應(yīng)增大。但由于發(fā)電機(jī)電壓方程中存在電流微分過程，使電流不能突變，則通過在 100s 時(shí)端口電壓上升以阻止電流增大，反映到發(fā)電機(jī)側(cè)有功功率曲線上為瞬時(shí)激增。而實(shí)用發(fā)電機(jī)模型中忽略了定子暫態(tài)過程，發(fā)電機(jī)有功功率曲線無上升過程。另外，將發(fā)電機(jī)精確模型和實(shí)用模型，分別與變換器及其控制器相連，并入三相系統(tǒng)中。在 40s 處設(shè)置三相短路接地故障，經(jīng)過 0.01s 退出故障。由此可知，當(dāng) 40s 發(fā)生三相短路故障時(shí)，兩種模型下的網(wǎng)絡(luò)側(cè)有功功率曲線基本吻合。

四、直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化控制

對直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，控制器對發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)有重要影響。在搭建仿真模型的過程中，設(shè)置合適的控制器參數(shù)能有效提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)性能。本文通過對控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化來改善系統(tǒng)動態(tài)性能，取故障時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制器的直軸電流變化量為優(yōu)化變量，將控制器參數(shù)集作為粒子，利用粒子群算法對網(wǎng)絡(luò)側(cè)三組控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

（一）粒子群算法。它是一種智能優(yōu)化算法，也是一種思路簡單，易于實(shí)現(xiàn)的高效率算法。在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，應(yīng)用傳統(tǒng)的優(yōu)化算法處理問題需特定的公式，但粒子群算法可通過微小的修正來適應(yīng)不同種類的優(yōu)化問題。粒子群算法的核心思想是將一群隨機(jī)初始化的粒子看待解決問題的可行解，設(shè)定適應(yīng)度函數(shù)來描述可行解的優(yōu)劣。每個(gè)粒子在一定的空間范圍內(nèi)運(yùn)動，由設(shè)定好的速度決定其運(yùn)動方向和步長。

（二）粒子群算法在控制器參數(shù)優(yōu)化中的應(yīng)用。利用粒子群算法對網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制器的三組控制器參數(shù)（Kpdc，Kidc，KpQ，KiQ，Kpig，Kiig）進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。將直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)連接至三相系統(tǒng)中，根據(jù)電網(wǎng)電壓定向的矢量控制技術(shù)，在 d、q 坐標(biāo)系下，將網(wǎng)側(cè)變換器的有功功率 Pg 作為反映系統(tǒng)性能的動態(tài)指標(biāo)為：

式中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)有功功率 Pg 僅與電網(wǎng)電壓 egd 和網(wǎng)絡(luò)側(cè)直軸電流 igd有關(guān)，通過改變直軸電流可改變網(wǎng)絡(luò)側(cè)有功功率。因此，將網(wǎng)絡(luò)側(cè)直軸電流igd 在故障下的最大值作為優(yōu)化目標(biāo)，通過逐次迭代，使電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)直軸電流最大變化量達(dá)到最小，從而獲得控制器參數(shù)的最優(yōu)解。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：初始化。根據(jù)位置和速度上下限設(shè)定每個(gè)粒子的位置和速度，并將初始時(shí)刻所有粒子的位置保存到局部最優(yōu)位置中，以電流的最大值最小為目標(biāo)，尋找全局最優(yōu)位置。根據(jù)每個(gè)粒子的適應(yīng)值更新局部最優(yōu)和全局最優(yōu)位置。計(jì)算粒子適應(yīng)度函數(shù)值，以此評價(jià)該粒子的優(yōu)劣。

總之，直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)較其他風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，其轉(zhuǎn)速可在大范圍內(nèi)變化，其風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的效率較高。該系統(tǒng)直接由風(fēng)機(jī)驅(qū)動，省去齒輪箱等中間環(huán)節(jié)，減少了維護(hù)費(fèi)用和發(fā)電系統(tǒng)的噪音，同時(shí)降低了部分機(jī)械損耗。同時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁材料構(gòu)成，無需勵磁控制，而且其控制相對簡單。因此，基于直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速可調(diào)，效率較高，控制靈活等特點(diǎn)。