直驱式永磁同步风电机组最大功率跟踪控制策略的研究

张丽萍，陈世慧，郭晓红（内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020）

张瑞荣（北京京能新能源有限公司内蒙古分公司，内蒙古 呼和浩特 010040）

1 引言

中国是耗能大国，而石油、煤炭已不能满足日益增长的能源需求。在众多再生能源中，目前发展最快的当数风力发电。风力发电作为一种新的、安全可靠的洁净能源，优越性为越来越多的人所认识。在各种能源中，风能是利用起来比较简单的一种，具备优越的开发条件。此外，从经济效益和社会效益方面来看，它的产业化可带动一批相关产业和产品的发展，因此对促进国民经济的发展具有重要的意义。

常见的笼型异步发电机，由于存在齿轮箱，双馈异步发电机还存在碳刷和滑环，使得系统成本高、可靠性差、维护量大，且噪声污染严重。并且当其低负荷运行时，效率较低，特别是随着单机容量的增大，问题更加突出。直驱和无刷化越来越受到人们的关注。因此，基于变速运行、变桨距调节、低转速、高效率、高功率因数的直驱永磁同步风力发电机(DDPMG)已成为研究开发的热点之一。该类型发电机采用永磁体励磁，消除了励磁损耗，提高了效率，实现了发电机无刷化；并且运行时，不需要从电网吸收无功功率来建立磁场，可以改善电网的功率因数；采用风力机对发电机直接驱动的方式，取消了齿轮箱，提高了风力发电机组的效率和可靠性，降低了设备的维护量，减少了噪声污染。目前，我国在该领域正处于研究阶段，主要研究DDPMG组的总体设计技术、关键部件的设计与制造技术以及大型DDPMG的功率调节技术等。风力发电机及其控制系统的运行状况和控制技术，决定着整个系统的性能和输出的电能质量，因此有必要对此控制策略进行更加深入的研究。

本文建立包括风力机、直驱式永磁同步发电机及机侧变换器在内的整个系统的数学模型。应用定子磁链定向的方法，对系统进行矢量控制策略的研究，利用Matlab/Simulink建立系统各部分的仿真模型，通过仿真结果验证所采用的控制策略的正确性和可行性[1-5]。

2 直驱式永磁同步风力发电系统结构及原理

图1所示为直驱永磁同步风力发电机系统。由低速永磁发电机组成的风力发电系统定子通过全功率变流器与交流电网连接，发电机变速运行，通过变流器保持输出电流的频率与电网频率一致。

图1 直驱永磁同步风力发电机系统

直驱永磁同步风力发电机组的优点有：无需齿轮箱，机械损耗小，运行效率高，维护成本低；消除励磁铜耗，功率密度高，转子惯性低，转子结构简单；可实现有功功率和无功功率的完全调节；与双馈风力发电机组相比，低风速时效率更高；转速运行范围较宽，可在额定转速的-30% ～15%范围内稳定运行，可靠性高，控制简单。

图2 背靠背双PWM变流器结构

低速永磁发电机组的变流器采用背靠背双PWM变流器结构，如图2所示。发电机定子通过背靠背变流器和电网连接。发电机侧PWM变流器通过调节定子侧的d轴和q轴电流，控制发电机的电磁转矩和定子的无功功率（无功功率的设定值为0），使发电机运行在变速恒频状态，额定风速以下具有最大风能捕获能力；网侧的PWM变流器通过调节网侧的d轴和q轴电流，保持直流侧的电压稳定，实现有功功率和无功功率的解耦控制，控制流向电网的无功功率，通常运行在单位功率因数状态。此外，网侧变流器还要保证变流器输出的THD（总谐波失真）尽可能小，以提高注入电网的电能质量。这种拓扑结构的通用性较强，双PWM变流器主电路完全相同，控制电路和控制算法也非常相似。两侧变流器都使用基于DSP的数字化控制，采样矢量控制，控制方法灵活，具有四象限运行功能，可以实现对发电机调速和发电质量控制，可以实现能量的双向流动，实现最大风能追踪。此方法减小了电机侧电压、电流谐波含量，具有很好的电机转矩控制性能，低频谐波小，功率因数高。随着电子技术的发展，全控型器件的成本会越来越低，双PWM变流器具有更大的发展空间[6-8]。

3 直驱式永磁同步风力发电系统数学模型

3.1 风力机数学模型

由空气动力学特性可知风力机轴上输出的机械功率为

式中，CP为风能利用系数，反映风力机吸收风能的效率，与桨距角β和叶尖速比λ有关。ρ为空气的密度，R为风力机的风轮半径，V为风速，ω为风力机的旋转角速度。在固定风速下，随着风力机转速的变化，CP会发生相应的变化，由此使风力机输出功率发生变化。只有在最佳叶尖速比λopt下才能得到最大风能利用系数CPmax，从而获得风力机输出最大功率。将不同风速下风力机的功率转速曲线上最大功率点连接起来得到风力机的最佳功率曲线。

3.2 永磁同步发电机数学模型

假设定子绕组正弦分布，电磁对称，忽略铁损及磁路未饱和。在（d，q）坐标系下建立的永磁同步电机模型为

式中，R是定子电阻；du、qu分别是d轴和q轴的定子电压分量；dL、qL分别是d轴和q轴的电感；sω是定子频率。

式中，dφ、qφ分别是d轴和q轴的磁通，mφ是一个由永磁决定的恒值磁通。这样可得

电磁转矩为

式中，P是极对数。如果永磁体安装在转子表面，则Ld=L q。定子频率ωs与轴的转速成正比，即sh，它依赖于发电机的机械连接方式。状态矢量和输入矢量分别定义为

因此永磁同步电机模型可表示为[9-12]

4 直驱式永磁同步风力发电系统矢量控制方案

4.1 直驱式永磁同步风力发电系统矢量控制结构

直驱式永磁同步风力发电系统可实现有功功率和无功功率的调节，按照风力发电机的转速功率输出曲线，给定不同的风速、发电机转速情况下的功率输出目标，额定风速以下以最佳叶尖速比运行，额定风速以上，以限制功率输出方式运行。有功功率决定于转子侧励磁电流q轴分量大小，无功功率决定于转子侧励磁电流d轴风量大小，经过控制算法，给定转子侧励磁电流、电压的d、q轴分量，通过坐标系旋转变换后，变换为静止坐标系下的a、b、c分量，再通过PWM输出，控制框图如图3所示[13-15]。

图3 控制框图

1θ，检测到的转子瞬时电流值通过3S/2S三相/两相静止坐标变换后，变化角度为1θ～2θ，输送到控制单元。

4.2 系统仿真研究

此系统采用的风机额定风速为12m/s，定桨距情况下最优叶尖速比为λopt=7，输入信号为阶跃信号，风速在23s时由26m/s变化为24m/s，对直驱式风力发电矢量控制系统在MATLAB的SIMULINK环境下进行仿真实验，输出有功功率和电机转速仿真结果如图3所示。

从仿真结果可以看出，风速为26m/s时间为10s左右时系统稳定，叶尖速比达到并保持在最大值7，风能利用系数最大。当风速降至24m/s时，由于系统惯性的原因，有功功率不能马上到达稳态值，电机转速也不能立刻跟踪期望值，经过一定时间的延迟后，系统重新回到稳定状态，叶尖速比重新回到并保持在最大值7，输出有功功率和电机转速保持在额定值不变，系统实现了最大功率跟踪。

5 结语

图4 直驱式风力发电系统输出有功功率仿真曲线

直驱式永磁同步风力发电系统是一个非常复杂的控制系统，为提高其运行的高效性和可靠性，实现最大功率追踪的效果，本文详细阐述了采用矢量方法实现对直驱式永磁风力发电系统机侧变换器的控制。利用坐标变换，在d-q坐标系下建立了包括风力机、直驱式永磁同步发电机及机侧变换器在内的整个系统的数学模型。应用定子磁链定向的方法，对系统进行矢量控制策略的仿真研究。通过矢量控制仿真结果，可看出该方法具有很好的动态性能和稳态性能，控制量变化平稳，控制效果理想，优化了发电机的运行性能。当风速突变时，基于定子磁链定向的矢量控制策略使得电机能够很好的控制，当风速发生扰动时，电机能稳定运行，可以实现低于额定风速时的最大风能捕捉，使风机运行在最佳转速。仿真结果验证了所建模型的合理性及控制策略的正确性和可行性。

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