永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)PWM控制研究

劉蔚釗 丁猛 張中輝

摘要：針對永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)PWM控制算法進(jìn)行了研究。介紹了永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成和原理，比較了不控整流和PWM控制整流的區(qū)別。根據(jù)矢量控制原理，提出了在永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用全功率變流器對機(jī)側(cè)進(jìn)行控制的有效策略，并設(shè)計了一套2 kW的永磁同步風(fēng)力發(fā)電平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制算法的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：永磁同步風(fēng)力發(fā)電;PWM整流;矢量控制

0 ? ?引言

隨著全球化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，近年來全球經(jīng)濟(jì)規(guī)模快速增長，然而隨之而來的日趨嚴(yán)重的環(huán)境保護(hù)及資源短缺等問題卻時刻提醒著人們：解決能源再生利用與可持續(xù)發(fā)展等問題已刻不容緩。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展使得使用風(fēng)力發(fā)電代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料發(fā)電的比例正逐步上升?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用最為廣泛的是雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于其變頻控制器的最大功率僅為風(fēng)機(jī)總功率的30%左右，這就顯著降低了整個系統(tǒng)的成本;但其缺點(diǎn)在于風(fēng)力發(fā)電機(jī)對所并電網(wǎng)的波動相對敏感，電網(wǎng)側(cè)電壓波動較大時，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容易跳閘和脫網(wǎng)。而永磁同步發(fā)電系統(tǒng)因?yàn)榕c所并電網(wǎng)是相對隔離的，永磁同步發(fā)電機(jī)所受沖擊很小，壽命較長，故障率相對較低，特別是整個系統(tǒng)對電壓波動不甚敏感，可不增加其他輔助設(shè)備就實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能，可以說是電網(wǎng)友好型風(fēng)機(jī)，隨著可控硅部件成本的同步降低，永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)會逐步主導(dǎo)今后風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢。

1 ? ?永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般都有風(fēng)輪、永磁同步發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)PWM控制器、網(wǎng)側(cè)PWM控制器、控制系統(tǒng)等組成部分，圖1為永磁同步發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出電的頻率和電壓隨風(fēng)速的改變而時刻變化，所以須將這部分變頻變壓的電能變換為恒頻恒壓的電能才可以連接電網(wǎng)，先經(jīng)過AC/DC變換，然后再經(jīng)過DC/AC變換[1]。目前，主要差別在AC/DC的控制上，AC/DC控制有以下兩種典型的方式：不控整流結(jié)合Boost控制和PWM整流器控制。

1.1 ? ?不控整流結(jié)合Boost變換器控制工作原理

如圖2所示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電，直接經(jīng)過二極管構(gòu)成的三相整流橋變成直流電，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)載的大小影響整流電壓的大小，通過Boost變換電路校正輸入端功率因數(shù)，提高PWSG的運(yùn)行效率，還能使直流母線上的電壓保持恒定，進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤，再通過逆變器的控制完成系統(tǒng)并網(wǎng)。

不控整流結(jié)合Boost變換器控制的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)和控制思路簡單，無需位置、速度傳感器，成本較低，只需少量電流和電壓傳感器即可實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤（MPPT）;缺點(diǎn)是MPPT的效果較差，電網(wǎng)低電壓故障穿越能力不足，復(fù)雜風(fēng)況時控制效果不理想。該控制方式常用于容量較小的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或?qū)Πl(fā)電效率和控制效果要求較低的大容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

1.2 ? ?PWM變換器控制整流的永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理

隨著永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量逐步擴(kuò)大，系統(tǒng)中變流器的電壓、電流等級也在逐步提升，因此使用全功率變流器拓?fù)涞挠来棚L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)受到了更加廣泛的關(guān)注。如圖3所示，全功率變流器采用兩個結(jié)構(gòu)上完全相同的PWM控制器構(gòu)成，其中機(jī)側(cè)PWM控制器用于整流，網(wǎng)側(cè)PWM控制器用于逆變。機(jī)側(cè)PWM控制器的作用是調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，控制永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電流呈正弦波，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和功率因數(shù)調(diào)節(jié)，從而使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工況能夠滿足MPPT的要求。

機(jī)側(cè)PWM控制器除了可以控制永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，還能依據(jù)多種控制算法，綜合優(yōu)化永磁同步發(fā)電機(jī)的耗損、容量利用效率及相應(yīng)速率等評價因素，以提高整個系統(tǒng)的性能。較不控整流結(jié)合Boost控制方式，PWM變換器控制整流的最大功率跟蹤效果更好，但成本較高。

2 ? ?永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

永磁同步發(fā)電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系里的數(shù)學(xué)模型是一個多變量的復(fù)雜系統(tǒng)，為了便于理論研究，一般會將abc三相靜止坐標(biāo)系下的永磁電機(jī)方程轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下，并且我們進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）忽略發(fā)電機(jī)磁飽和線性;

（2）認(rèn)為磁路線性;

（3）認(rèn)為永磁體的磁場沿氣隙周圍正弦分布;

（4）忽略磁滯和渦流效應(yīng);

（5）定子繞組三相對稱，在空間上互為120°相位角。

采用dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，q軸超前d軸90°，定義發(fā)電機(jī)吸收有功功率為正方向，建立永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型。

定子電壓方程為：

uds=Rsids

+-ω1ψqs

uqs=Rsiqs

+-ω1ψds ? ? ? （1）

定子磁鏈方程為：

ψds=Ldids+ψf

ψqs=Lqiqs ? ? ? ?（2）

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

Te=pn（ψdsiqs-ψqsids） ? ? （3）

式中：uds、uqs為定子上電壓d軸、q軸分量;ids、iqs為定子上電流d軸、q軸分量，并以電動機(jī)方向?yàn)檎较?Ld、Lq為d軸、q軸同步電感，認(rèn)為恒定;ψds、ψqs為定子磁鏈的d軸、q軸分量;ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈，認(rèn)為恒定;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;pn為極對數(shù)。

聯(lián)立式（1）（2）可得永磁同步發(fā)電機(jī)電壓方程：

uqs=Rsiqs+Lq

+ω1Ldids+ω1ψf

uds=Rsids+Ld

-ω1Lqiqs ? ?（4）

再結(jié)合式（2）（3）可得電磁轉(zhuǎn)矩方程：

Te=pn[ψfiqs+（Ld-Lq）idsiqs] ?（5）

由以上公式可知，電磁轉(zhuǎn)矩Te與ids、iqs是相關(guān)的，若能使得d軸的ids=0，讓定子電流合成矢量完全落在q軸，則Te可以轉(zhuǎn)化為：

Te=pnψfiqs ? ? （6）

3 ? ?永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)控制策略

當(dāng)d軸定向于轉(zhuǎn)子磁極之后，若能使得d軸ids=0，則電機(jī)的Te大小與定子iqs正相關(guān)，也就是說PWSG的電磁轉(zhuǎn)矩就可以由q軸電流決定[2]。因此，該系統(tǒng)使用雙閉環(huán)控制策略，其中內(nèi)環(huán)采用d軸ids控制，其目的是控制d軸ids為0，外環(huán)采用速度控制，目的是使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨參考目標(biāo)角速度ω1*?？刂撇呗匀鐖D4所示。

發(fā)電機(jī)輸出的電流經(jīng)過變換，在d、q軸的坐標(biāo)系中變換為d軸、q軸的直流電流ids、iqs。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤參考目標(biāo)轉(zhuǎn)速ω1*可以由實(shí)時風(fēng)速和風(fēng)力發(fā)電機(jī)最佳功率的函數(shù)算出。目標(biāo)角速度ω1*和風(fēng)機(jī)實(shí)際角速度ω1經(jīng)過PI控制器可以得到目標(biāo)電流iqs*，iqs*與實(shí)際q軸直流電流分量iqs相比較并利用電壓前饋補(bǔ)償?shù)玫诫妷篣qs。根據(jù)前文所述，d軸電流的目標(biāo)值ids*設(shè)為0，與實(shí)際d軸直流電流分量ids相比較并利用電壓前饋補(bǔ)償?shù)玫诫妷篣ds。Uqs和Uds經(jīng)過Park逆變換得到Uα和Uβ，利用SVPWM電壓控件矢量調(diào)制方法控制三相全橋整流橋。

4 ? ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步檢驗(yàn)理論計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本課題設(shè)計了一套永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，通過矢量變頻器控制三相異步電機(jī)運(yùn)行，對拖永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過改變風(fēng)機(jī)電流實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，以此進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，并將產(chǎn)生的電能全部接入市電系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

系統(tǒng)中電拖部分變頻器采用ABBACS550系列矢量變頻器，由風(fēng)速控制軟件控制，模擬真實(shí)情況下的可變風(fēng)速。三相異步電機(jī)的標(biāo)稱功率為2 200 W，額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min;永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁極對數(shù)是2對，定子相電阻為0.55 Ω，額定功率2 kW，轉(zhuǎn)動慣量為2.77×10-3 kg·m2，d軸電感為Ld=

2.3 mH，q軸電感為Lq=6.1 mH，額定電流為9.5 A。其中機(jī)側(cè)PWM控制器采用三菱IPM模塊PM50RL1A120作為功率元件，耐壓值1 200 V，電流50 A，由德州儀器的TMS320-

F28335 DSP芯片驅(qū)動。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由連在風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出軸上的編碼器進(jìn)行采樣并反饋至機(jī)側(cè)PWM控制器。

永磁同步風(fēng)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖片如圖6所示。

永磁同步風(fēng)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，風(fēng)速設(shè)置為從8 m/s逐步提高到10 m/s，此時定子A相的電流和電壓幅值都會增大，外部風(fēng)速變化，有功功率也會相應(yīng)地變化，系統(tǒng)有較好的響應(yīng)速率，且能很快穩(wěn)定，如圖7所示。

5 ? ?結(jié)語

本文基于永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)特性，提出了一種適用于機(jī)側(cè)PWM控制器的控制策略，該策略將機(jī)側(cè)控制通過坐標(biāo)變換進(jìn)行簡化，設(shè)定與永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)的電流d軸分量為0，采用雙閉環(huán)計算電流q軸分量，從而控制發(fā)電機(jī)組的有功和無功功率。最后，設(shè)計并試制了一套2 kW的永磁同步風(fēng)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，結(jié)合軟件算法利用矢量變頻器仿真風(fēng)速變化對拖永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，機(jī)側(cè)PWM變換器根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定子電流對輸出電能的有功和無功進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，永磁同步風(fēng)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)側(cè)PWM控制策略穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期效果。

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收稿日期：2020-07-31

作者簡介：劉蔚釗（1988—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：新能源發(fā)電控制。