基于矩陣變換器的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制研究

黃弋珊 苗 輝

（國網(wǎng)烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

近年來，隨著化石燃料的減少和生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求越來越高，風(fēng)力發(fā)電等清潔能源開發(fā)利用越來越廣。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中[1]，最為常見的變速發(fā)電系統(tǒng)通常由雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）或永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）組成。

與感應(yīng)發(fā)電機(jī)相比，永磁同步發(fā)電機(jī)具有效率高、重量輕、可多極設(shè)計等優(yōu)點(diǎn)，且永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于可省去中間連接齒輪箱[2]，系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)成本將大大降低，其應(yīng)用前景最為廣闊。

變速直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常采用背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓源變換器來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT），并根據(jù)電網(wǎng)核負(fù)載需求實(shí)現(xiàn)電壓幅值和頻率的調(diào)節(jié)。

矩陣變換器（MC）是一種交-交強(qiáng)制整流型功率變換器[3]，其特點(diǎn)是不需要使用儲能元件，設(shè)計緊湊，系統(tǒng)運(yùn)行壽命長，輸入電流和輸出電壓為正弦等。

目前，諸多永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的機(jī)理均是根據(jù)風(fēng)速變化及時調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

文獻(xiàn)[4]提出一種結(jié)合擾動與觀測控制和基于最優(yōu)關(guān)系控制的MPPT技術(shù)。

文獻(xiàn)[5]采用矢量控制（VC）策略，通過解耦有功和無功功率來實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大功率跟蹤。

本文提出了一種基于MC控制架構(gòu)的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）策略，與矢量控制方法相比，該方法結(jié)構(gòu)簡單，除定子電阻外不需要電機(jī)精確參數(shù)，魯棒性好。

基于MC的直接轉(zhuǎn)矩控制方法充分利用開關(guān)表優(yōu)勢，可獲得很高的動態(tài)性能。同時，由于MC可產(chǎn)生更高數(shù)量的可用于調(diào)制的電壓矢量，除可實(shí)現(xiàn)多電平轉(zhuǎn)換器性能外，還能減小傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法固有的轉(zhuǎn)矩脈動。最后，通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的有效性及可行性。

1 基于矩陣變換器的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

1.1 風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)從風(fēng)力中提取的機(jī)械功率可表示為：

式中：ρ為風(fēng)密度；Ar為葉片掃掠面積；CP為風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)；λ為葉尖速比；β為俯仰角；Vω為風(fēng)速。

由于在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（WECS）中，風(fēng)力機(jī)直接與永磁同步發(fā)電機(jī)相連而不需要齒輪箱，因此WECS的運(yùn)動方程表示為：

式中：2H為WECS的總慣性常數(shù)；ωt為機(jī)械旋轉(zhuǎn)角速度；Pe為電氣功率；D為阻尼系數(shù)。

1.2 永磁同步發(fā)電機(jī)模型

同步d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相永磁同步發(fā)電機(jī)的動力學(xué)模型為：

式中：vsd、vsq、isd、isq分別為d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電壓和定子電流；Ld、Lq為d、q軸等效電感；Rs為定子電阻；ωe為電氣角速度；Ψm為永磁體磁鏈；Ψs為定子磁鏈；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為極對數(shù)；δ為磁鏈角。

2 基于矩陣變換器的直接轉(zhuǎn)矩控制方案

3×3型矩陣變換器是一個由9個雙向開關(guān)組成的陣列，它直接將三相電壓源與三相負(fù)載相連，具有27種可能的開關(guān)狀態(tài)，可以產(chǎn)生27個輸出電壓矢量。

基于矩陣變換器的直接轉(zhuǎn)矩控制方法通過控制定子磁鏈?zhǔn)噶康拇笮『臀恢脕砜刂齐姶呸D(zhuǎn)矩，如圖1所示。可以看出，與傳統(tǒng)VSI型直接轉(zhuǎn)矩控制一樣，參考轉(zhuǎn)矩與估測轉(zhuǎn)矩的誤差值作為三電平滯環(huán)比較器輸入量，參考磁鏈與估測磁鏈的誤差值作為兩電平滯環(huán)比較器輸入量。根據(jù)這兩個滯環(huán)比較器輸出，可以得到定子磁通扇區(qū)數(shù)，并通過表1所示的開關(guān)表選擇合適的電壓矢量。

表1 傳統(tǒng)VSI-DTC開關(guān)表

圖1 MC-DTC控制策略示意圖

基于矩陣變換器的直接轉(zhuǎn)矩控制方法還可實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)控制，一旦通過開關(guān)表確定了合適的電壓矢量，sin φ滯環(huán)控制器輸出即為功率因數(shù)誤差信號，其中φ為輸入電流矢量和中性點(diǎn)電壓矢量間的位移角。因此，根據(jù)前一步得到的電壓矢量和期望輸入電流矢量的扇區(qū)，通過查找表2所示的MC-DTC開關(guān)表，即可確定適用于矩陣變換器的合適電壓矢量。圖1給出了基于矩陣變換器的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制策略示意圖，其中Teref和Ψsref分別為最大功率點(diǎn)跟蹤控制計算得到的參考轉(zhuǎn)矩和參考磁鏈。

表2 MC-DTC開關(guān)表

3 最大功率點(diǎn)跟蹤控制

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)控制的目標(biāo)是通過調(diào)節(jié)葉尖速比大小來獲得最大功率輸出，其曲線如圖2所示。

圖2 MPPT曲線

在本文提出的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，將最優(yōu)轉(zhuǎn)矩作為系統(tǒng)的參考轉(zhuǎn)矩指令，以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。最優(yōu)機(jī)械角速度可簡單估算為：

式中：ωopt為最優(yōu)葉尖速比下達(dá)到的最優(yōu)機(jī)械角速度；λopt為最優(yōu)葉尖速比；R為風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)半徑。

結(jié)合式（1）和式（4），風(fēng)力機(jī)最大輸出機(jī)械功率和永磁同步發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩參考值可表示為：

式中：Kopt=0.5ρArCp-maxRωopt，其中Cp-max為風(fēng)機(jī)最大功率系數(shù)。

該關(guān)系式描述了風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩-風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性，可用于確定平衡點(diǎn)處直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的最優(yōu)電磁轉(zhuǎn)矩指令，將其應(yīng)用于系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最大功率控制。

4 仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證基于矩陣變換器的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方案的有效性，進(jìn)行了Matlab仿真試驗(yàn)。

風(fēng)機(jī)葉片半徑R為2 m，風(fēng)密度ρ為1.08 kg/m3，最優(yōu)葉尖速比λopt計算為0.08，風(fēng)力機(jī)最優(yōu)功率系數(shù)Cp-max為0.48，PMSG采用極對數(shù)為3的標(biāo)貼式永磁同步發(fā)電機(jī)，功率設(shè)定為10 kW，永磁體磁鏈為0.9 Wb，定子電阻為0.098 5 Ω，定子d、q軸電感均為0.01 mH。

首先研究了系統(tǒng)的動態(tài)性能，開始風(fēng)速設(shè)定為9.6 m/s，在1.2 s時刻增加到12 m/s，在1.8 s時刻降低至10.8 m/s。圖3為兩種風(fēng)速下電磁轉(zhuǎn)矩的變化情況，可以看出，轉(zhuǎn)矩指令隨風(fēng)速和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，并通過MPPT輸出參考轉(zhuǎn)矩應(yīng)用于系統(tǒng)。

圖3 電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖4 和圖5分別表示定子磁鏈大小及其d-q軸分量和d-q軸電流分量，可以看出采用MC-DTC后，定子磁鏈?zhǔn)д嫘。{(diào)節(jié)效果好。為了評估該策略的最大功率點(diǎn)跟蹤性能，設(shè)定風(fēng)速在0～17 m/s范圍內(nèi)變化，圖6給出了風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率軌跡和風(fēng)力機(jī)功率特性曲線，表明風(fēng)機(jī)輸出機(jī)械功率始終沿最大功率點(diǎn)跟蹤曲線運(yùn)行，也說明了MPPT控制方法的有效性。

圖4 定子磁鏈波形

圖5 定子電流波形

圖6 風(fēng)機(jī)功率輸出波形

5 結(jié)論

本文提出了一種基于矩陣變換器的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，繼承了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制方法動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。矩陣變換器可以產(chǎn)生更多的電壓矢量，在降低磁鏈和轉(zhuǎn)矩紋波的同時，還實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤和系統(tǒng)效率的提高。整個MC-DTC方案不需要PI控制器，在改變電機(jī)參數(shù)時具有較好的魯棒性。最后通過Matlab仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了MC-DTC策略的有效性。