直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)仿真與優(yōu)化控制

陳喬照

摘要：直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)較其他風力發(fā)電系統(tǒng)而言，其轉速可在大范圍內(nèi)變化，其風能轉換為電能的效率較高。該系統(tǒng)直接由風機驅動，省去齒輪箱等中間環(huán)節(jié)，減少了維護費用和發(fā)電系統(tǒng)的噪音，同時降低了部分機械損耗。發(fā)電機轉子由永磁材料構成，無需勵磁控制，控制相對簡單。因此，基于直驅永磁風力發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)具有轉速可調(diào)，效率較高，控制靈活等特點。

關鍵詞：直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)仿真;優(yōu)化控制

前言：

環(huán)境污染，能源危機日益嚴重，風電因其高效、清潔而得到各國關注。永磁同步發(fā)電機相比雙饋異步發(fā)電機，因高效、高可靠性成為海上風電主流機型。變速永磁風電始于上世紀90 年代，歐美國家規(guī)模已趨向大型化，國內(nèi)目前規(guī)模尚小，“棄風限電”嚴重，且隨裝機容量需求快速增長，變速恒頻與全功率變流將成為風電產(chǎn)業(yè)關鍵技術，并迅速向多種地形擴展。

一、直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)常見模型

1.工作原理。直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)是由風輪機直接耦合永磁風力發(fā)電機，發(fā)電機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力帶動風力機葉片旋轉，拖動直驅永磁發(fā)電機的轉子旋轉，實現(xiàn)發(fā)電。直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的變頻恒速控制是在定子回路中實現(xiàn)的，把直驅永磁發(fā)電機變頻的交流電通過變頻器轉變?yōu)殡娋W(wǎng)同頻的交流電，實現(xiàn)風力發(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。

2.直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)驅動動力來源于風機，這不僅能夠減少系統(tǒng)維護成本，降低機械損耗，而且還能提高系統(tǒng)控制效率，這一系統(tǒng)具有轉速調(diào)節(jié)、靈活控制優(yōu)點。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。（一）風輪機模型。這一模型即系統(tǒng)借助背靠背變換器連接于電網(wǎng)，將風輪機設備視為剛體，針對該設備動態(tài)描述時，借助一階簡化模型完成動態(tài)描述任務。在這一過程中，應用公式計算得出系統(tǒng)慣性時間常數(shù)，需要說明的是，風輪機負責能量轉換工作，即風能轉換為機械能，其中，機械功率計算方法為：1/2× 空氣密度 × 風輪機葉片接觸面積 × 風速 × 風輪機輸出功率系數(shù) × 槳葉節(jié)距角和葉尖速度比函數(shù)。（二）永磁發(fā)電機模型。該模型具體包括精確模型和實用模型兩部分，其中，精確模型準確確定永磁體基波勵磁磁場軸線，并合理設置電流輸出方向，應用定子電壓方程求得直軸分量以及交軸分量。對于實用模型，即在電力系統(tǒng)動態(tài)分析的基礎上，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。永磁風力發(fā)電機組成部分包括三部分，第一部分即電容器，第二部分即發(fā)電機側變換器，第三部分即網(wǎng)絡側變換器。具體組成內(nèi)容包括發(fā)電機端電壓、并聯(lián)電容器電壓、發(fā)電機測控控制器電流、網(wǎng)絡側控制器電流、電容器電流、網(wǎng)絡側控制器電壓。

二、仿真分析

（一）系統(tǒng)仿真波形。由基礎風、陣風、漸變風和隨機風疊加而成的自然風作為直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的輸入風速。由直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)可知，發(fā)電機轉速隨著輸入風速的變化而變化，發(fā)電機側輸出有功功率曲線與最大功率追蹤曲線吻合，表明發(fā)電機能較好地跟蹤最大風功率。

（二）發(fā)電機模型適用性比較。將發(fā)電機精確模型和實用模型分別與負載相連，設置負載電阻在 100s 時由 1.4 pu 突變至 1 pu，風速維持 10m/s 的恒定值。由此可知，精確模型在 100s 處波形變化明顯。精確模型計及定子電磁暫態(tài)過程，當電阻負載下降時，電流應增大。但由于發(fā)電機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 時端口電壓上升以阻止電流增大，反映到發(fā)電機側有功功率曲線上為瞬時激增。而實用發(fā)電直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)仿真與優(yōu)化控制機模型中忽略了定子暫態(tài)過程，發(fā)電機有功功率曲線無上升過程。另外，將發(fā)電機精確模型和實用模型，分別與變換器及其控制器相連，并入三相系統(tǒng)中。在 40s 處設置三相短路接地故障，經(jīng)過 0.01s 退出故障。由此可知，當 40s 發(fā)生三相短路故障時，兩種模型下的網(wǎng)絡側有功功率曲線基本吻合。

三、直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化控制

對直驅永磁風力發(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，設置合適的控制器參數(shù)能有效提高風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)性能。本文通過對控制器參數(shù)進行優(yōu)化來改善系統(tǒng)動態(tài)性能，取故障時刻網(wǎng)絡側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)絡側三組控制器參數(shù)進行優(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，易于實現(xiàn)的高效率算法。在電力系統(tǒng)領域，應用傳統(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初始化的粒子看待解決問題的可行解，設定適應度函數(shù)來描述可行解的優(yōu)劣。每個粒子在一定的空間范圍內(nèi)運動，由設定好的速度決定其運動方向和步長。

（二）粒子群算法在控制器參數(shù)優(yōu)化中的應用。粒子群算法的核心思想是將一群隨機初始化的粒子看做待解決問題的可行解，設定適應度函數(shù)來描述可行解的優(yōu)劣。每個粒子在一定的空間范圍內(nèi)運動，由設定好的速度決定其運動方向和步長。通過比較其他粒子的歷史最優(yōu)點和自身的當前最優(yōu)點，逐代尋優(yōu)，最終獲得最優(yōu)解。利用粒子群算法對網(wǎng)絡側控制器的三組控制器參數(shù)進行優(yōu)化計算。將直驅永磁風力發(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，在 坐標系下，將網(wǎng)側變換器的有功功率 作為反映系統(tǒng)性能的動態(tài)指標為網(wǎng)絡側有功功率 僅與電網(wǎng)電壓和網(wǎng)絡側直軸電流有關，通過改變直軸電流可改變網(wǎng)絡側有功功率。因此，將網(wǎng)絡側直軸電流在故障下的最大值作為優(yōu)化目標，通過逐次迭代，使電網(wǎng)發(fā)生故障時，網(wǎng)絡側直軸電流最大變化量達到最小，從而獲得控制器參數(shù)的最優(yōu)解。具體實現(xiàn)過程如下初始化。根據(jù)位置和速度上下限設定每個粒子的位置和速度，并將初始時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，尋找全局最優(yōu)位置。根據(jù)每個粒子的適應值更新局部最優(yōu)和全局最優(yōu)位置。計算粒子適應度函數(shù)值，以此評價該粒子的優(yōu)劣。總之，直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)較其他風力發(fā)電系統(tǒng)而言，其轉速可在大范圍內(nèi)變化，其風能轉換為電能的效率較高。該系統(tǒng)直接由風機驅動，省去齒輪箱等中間環(huán)節(jié)，減少了維護費用和發(fā)電系統(tǒng)的噪音，同時降低了部分機械損耗。同時，發(fā)電機轉子由永磁材料構成，無需勵磁控制，而且其控制相對簡單。編寫粒子群算法程序，通過仿真模型與粒子群算法進行數(shù)據(jù)交換，交替迭代，達到對控制器參數(shù)進行逐級尋優(yōu)的目標。

結束語：

風力發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，其在電力能源中所占的比重日益增加。由于永磁直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)在結構上省去了傳動齒輪箱，且通過電壓源換流器高壓直流輸電與電網(wǎng)連接，具有結構簡單、發(fā)電效率高、運行可靠性高及維護成本低等優(yōu)點，是目前風力發(fā)電技術領域的一個重要研究方向。直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)無需齒輪箱，克服了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)需要齒輪箱升速帶來的成本高，易出現(xiàn)故障，可靠性差，效率低，調(diào)速范圍較小等缺點，且不需要電勵磁裝置，重量輕，效率高，可靠性好，因此而成為研究的熱點。

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