稀土永磁直驱风机控制策略研究

马宏革 巩真

包头轻工职业技术学院能源工程学院，内蒙古 包头 014030

引言

稀土永磁直驱式风力发电机，是一种由风轮直接驱动发电机的风力发电机组，亦称无齿轮风力发电机。由于目前在某些兆瓦级风力发电机组中齿轮箱是容易过载和损坏率较高的部件，而无齿轮箱的直驱方式能有效地减少由于齿轮箱磨损问题而造成的机组故障，可有效提高系统运行的可靠性和寿命，减少维护成本，因而得到了市场青睐。

1 稀土永磁直驱机系统结构

稀土永磁式直驱风力发电系统主要由风轮、永磁发电机、全功率变流器、变压器及控制系统等构成。风轮从风中捕获风能,并通过传动系统将风能转换为机械能，风轮带动永磁发电机旋转将获得的机械能转换为电能，全功率变流器将发电机发出的电能转换为符合电网要求的电能经变压器送入电网。

2 变流系统

在永磁直驱风力发电机组控制系统中，变流系统主电路采用交－直－交结构，将风力发电机发出的能量送入电网。其中交－直变换部分采用三相不控整流器，直－直变换部分采用双重升压斩波器，直－交变换部分采用两重 PWM 逆变器。将直驱风机系统及其变流系统的主电路图确定为如图 1 所示。

变流主电路由以下几部分组成：永磁同步发电机系统，三相不控整流电路，双重升压斩波电路，制动单元，两重并网逆变电路，滤波电路。

图1 稀土永磁直驱风力发电机组拓扑结构

在交－直－交变流控制系统中，为了满足运行过程中有良好的动态特性，就需要在保证发电机输出电压适应电网电压变化的同时，发电机和电网上产生尽可能低的谐波电流；在提供稳定的功率基础上，具有可控制的功率因数；在控制系统相对简便的情况下，使得发电机电磁转矩可控。

3 面向最大功率追踪的转矩与桨距角控制策略

3.1 变桨控制

由于变桨距系统的响应速度受到限制，对快速变化的风速，通过改变节距来输出功率的效果并不理想。因此，为了优化功率曲线，其功率反馈信号不再作为直接控制桨叶节距的变量。变桨系统由风速低频分量和发电机转速控制，风速的高频分量产生的机械能波动，通过迅速改变发电机的转速来进行平衡，通过电流控制器对发电机转差率进行控制，即随着风速变化，调节动能形式，是功率曲线达到理想状态。变桨距控制机构示意图如图 2所示。

图2 变桨距控制机构

由于自然界风速处于不断变化中，较短时间内的风速上升或下降总是不断的发生，因此变桨距机构也在不断的动作，从而获得最大的功率输出。

3.2 机组运行区域的划分和控制目标

根据风速情况以及永磁式直驱风力发电机组的功率特性,机组的运行可以划分成四个区域,如图3所示。不同区域的运行目标不同,转矩和桨距角的控制也各有侧重。

图3 风轮的转矩-转速曲线

1）第一个区域为启动和并网工作区,当风速达到启动风速时并且机组满足启动条件,机组由待机状态转入到启动状态,在这一阶段，没有转矩控制，桨距角控制目标是保证发电机转速的平稳上升，在并网时控制发电机转速保持恒定。

2）第二个区域为最佳叶尖速比工作区，机组切入电网后运行在额定风速以下的工作区域，由于此区域中风速没有达到额定风速，发电机送入电网的功率必然小于额定值，所以机组的控制目标是风能的最大捕获，提高机组的发电量。

3）第三个区域为恒转速工作区，随着风速的增加，风轮转速达到额定转速，这时机组进入恒转速区。在这个区域内，随着风速增大，发电机转速保持恒定，功率在达到极值之前一直增大，这既可以由转矩控制完成，也可以由桨距角控制完成。

4）第四个区域为恒功率工作区,一旦在T4点达到额定转矩,在所有更高的风速中，转矩给定量基本保持恒定,并由桨距角控制来调节风轮的转速。在这一区域，由于受风电机组各部件机械强度和疲劳强度的限制,主要通过桨距角控制来限制风轮获取能量，使风力发电机组保持在额定功率点发电，因此控制目标是尽可能提高风电机组风能转换效率和保证风电机组获得平稳的功率输出。

3.3 转矩和桨距角控制策略

如图4所示,在最佳叶尖速比工作区和恒转速工作区,系统采用自适应模糊控制实时控制永磁发电机电磁转矩,使发电机转速跟随风速的变化,保持最佳叶尖速比,从而实现最大风能捕获。高风速时,在发电机转速高于额定转速时,转矩保持额定转矩,保证吸收功率的稳定,实现机组的变速恒频运行。

在最佳叶尖速比工作区和恒转速工作区,保持最优桨距角不变；在恒功率工作区,系统采用模糊滑模变结构控制通过变桨距执行机构控制桨距角的变化,以保证机组的输出功率在允许范围之内,利用风轮转速的变化来存储或释放部分能量,以提高功率传输链的柔性,使机组输出功率更加平稳。

图4 转矩和桨距控制框图

4 最大风能捕获

大部分时间里，风场中风速较低，额定风速以下运行是机组运行的主要工作方式，这种情况下机组的控制目标就是捕获最大风能，永磁式直驱风电机组的最大风能捕获也是针对这一目标提出来的。

设定不同的风速，就可以得到风电机组在不同风速下风力机输出机械功率和角速度的关系。在某一确定风速下,风力机的功率曲线上有一最优转速和最大功率点。在一组不同的风速下风力机的输出功率特性,将不同风速下的最大功率点连接起来,就得到最佳功率曲线。

5 结语

通过理论分析，本文提出了稀土永磁直驱风电机组变流电路的主电路拓扑采用不控整流+双重斩波+两个PWM并网逆变结构形式；采用变桨距控制系统，面向最大功率追踪的转矩与桨距角控制；以及系统最大风能捕获的稀土永磁直驱风机控制策略，使稀土永磁直驱风机功率可以得到提高。

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