直驱式永磁同步风力发电最佳风能跟踪控制与实验研究

马启蒙，李东东，薛 花

(上海电力学院电气工程学院，上海 200090)

随着能源的枯竭和传统火力发电对环境的污染，可再生能源的发展受到更多的关注，其中风能蕴量巨大，发展迅速.

由于传统恒速恒频(Constant Speed Constant Frequency，CSCF)风力发电机组风能利用率较低，基于电力电子和其他新技术的快速发展，变速恒频(Variable Speed Constant Frequency，VSCF)风力发电机组逐渐取代恒速恒频风力发电机组成为主流机组.当前应用较多的VSCF风力发电机组为永磁同步风力发电机(Permanent Magnet Synchronous Generation，PMSG)和双馈感应风力发 电 机 (Doubly Fed Induction Generator，DFIG).［1-3］与 DFIG 相比，PMSG 具有如下优点:没有庞大的齿轮箱;发电机无需直流励磁装置;对于最大风能捕获和网侧变流器可以实现全控和较强的故障穿越能力，效率及可靠性更高.因此，关于PMSG的研究和工业应用越来越多.［2-3］

变速恒频风力发电机运行在额定风速以下时，需要采用最大功率追踪控制(Maximum Power Point Tracking，MPPT)保证最大程度利用风能，提高风力发电机组效率.风力发电MPPT的控制策略可以归纳为叶尖速比控制、功率信号反馈控制和爬山寻优控制3类，功率信号反馈和爬山寻优适合风速变化较慢的情况.［4-8］在实验室条件下需要模拟风力机运行的各种工况，鉴于模拟时间较短，风速变化较快，所以本文选用最佳叶尖速比控制策略，根据风速设定情况和风力机最佳叶尖速比特性得到最佳转速，使PMSG运行于最佳转速，从而实现MPPT.

本文考虑实验室环境下的研究条件，设计了一套永磁同步风力发电模拟系统，包含风力机、PMSG硬件电路和控制软件的设计，利用所搭建的模拟系统完成了实验研究，对提出的控制策略进行了验证.

1 永磁同步风力发电系统数学模型

永磁同步风力发电系统由风力机、永磁同步发电机、机侧变流器(Machine-Side Converter，MSC)、网侧变流器(Grid-Side Converter，GSC)和控制部分组成.系统结构如图1所示.

图1 永磁同步风力发电系统结构示意

1.1 风力机数学模型

风力机功率、转矩方程如下:［9-10］

式中:P——风力机输出机械功率;

T——风力机输出机械转矩;

ρ——空气密度，一般取 1.25 kg/m3;

cp——风能利用系数;

R——叶轮的半径;

A——叶轮的扫掠面积;

cT——转矩系数;

v——风速.

其中，cp是风力机效率的重要参数，表示风力机的机械输出功率与风力机的输入功率的比值.风力机另一个重要参数为叶尖速比λ:

式中:λ——叶尖转速比;

R——叶轮的半径;

ω——风轮旋转的角速度;

n——风机的转速.

cp与叶尖速比和桨距角呈非线性关系，在固定风速下，存在一个最优叶尖速比λopt，使得cp获得最大值cpmax，风力机输出机械功率最大.不同风速对应不同的最大输出功率，设定风速后，可以根据最佳叶尖速比得到最佳转速，以控制永磁同步发电机工作于此转速，同时控制风力机输出对应的最大输出功率，实现功率追踪.

1.2 PMSG 数学模型

按照发电机惯例，三相永磁同步发电机dq坐标系下的数学模型如下.

定子电压方程:

定子磁链方程:

由式(3)和式(4)可以推导出:

式中:Usd，Usq——定子电压d轴和q轴分量;

isd，isq——定子电流 d轴和q轴分量;

ψsd，ψsq——定子磁链 d 轴和 q 轴分量;

ψ0——转子磁链;

rs——定子绕组等效内阻;

Ld，Lq——定子绕组电感d轴和q轴分量;

ωe——转子电角速度.

电磁转矩方程:

式中:Te——PMSG电磁转矩;

p——极对数;

ψf——永磁体磁链;

Lls——定子绕组漏电感;

Ldm——d轴励磁电感;

Lqm——q轴励磁电感.

正常工作情况下，PMSG的d轴与q轴电感差距很小，［3］式(6)可简化为:

2 变流器控制策略

永磁同步风力发电系统的控制主要集中在风力机、机侧变流器和网侧变流器等方面，风力机的桨距角控制主要在超过额定风速时调节桨距角，从而减小风能捕获系数，降低风力机输出机械功率，保证发电机工作在额定功率状态.［9］机侧变流器主要控制发电机，实现有功功率调节和最佳风能跟踪，网侧变流器控制主要实现直流侧电压和网侧无功功率输出的控制.

2.1 机侧变流器控制

机侧变流器以控制发电机输出有功功率为目标，采用转速外环、快速电流内环的双闭环矢量控制策略，控制结构如图2所示.

图2 机侧变流器控制结构

采用转子磁链定向控制，d轴定向于转子磁链方向，q轴滞后d轴90°，PMSG定子电压方程见式(5)，采用id=0控制方式.

通过控制q轴电流分量isq，可以间接控制发电机转速.由风力机空气动力学特性可知，当风速固定时，保证转速为最优转速ωopt，风力机可以输出最大功率;通过控制发电机转速，最终可以实现发电系统的最佳风能跟踪控制.

2.2 网侧变流器控制

为将发电机捕获的最大风能馈入电网，需对网测变流器进行控制，确保直流侧电压稳定和网测有功、无功解耦.本文采用电网电压定向控制，选d轴定向于电网侧电压空间矢量方向，q轴沿电压旋转方向超前90°，建立同步旋转坐标系.采用双闭环控制，外环为直流电压环，内环为电流环，实现直流电压控制.为提高发电机效率，采用单位功率因数控制，输出无功功率为零.网侧变流器控制结构如图3所示.

图3 网侧变流器控制结构

3 PMSG发电系统实验研究

3.1 PMSG发电系统实验平台

PMSG发电系统实验平台主要包含硬件主电路和控制系统两部分.硬件主电路为直流电动机拖动PMSG发电，经由机侧和网侧变流器并网;控制系统包括直流电动机控制子系统和永磁发电机控制子系统，分别控制直流电动机和变流器.其中，由西门子调速器控制的直流电动机用来模拟风力机;永磁发电机组变频器为背靠背双PWM型变流器，采用DSP控制器控制并网.

3.2 PMSG硬件电路设计

3.2.1 主电路

系统额定容量为7.5 kW，主电路如图4所示，主要包括直流电动机、PMSG发电机、背靠背变流器组、直流环节、并网滤波电感以及软启动开关等模块.其中，直流环节带有过压电阻泄放电路，电网电压跌落时，直流环节能量通过电阻泄放，防止电容电压过高;发电系统并网采用软启动电路模式并网，以减小并网冲击.

图4 PMSG发电系统主电路结构

直流电动机额定容量为15 kW，PMSG额定容量为7.5 kW，IGBT模块最高耐压为1 200 V，最大电流为50 A;直流侧电压为650 V，电容采用6个1.0 μF/1 200 V电容并联，连接滤波电感为0.96 mH.

3.2.2 控制系统硬件电路

控制单元采用具有150 MHz浮点运算能力的DSP——TMS320F28335和FPGA结合的多处理器新型控制单元，主要包括DSP控制器、电压电流检测电路、IGBT驱动隔离电路以及继电器控制电路等.

3.3 PMSG控制软件设计

主程序和中断程序流程图如图5和图6所示.

主程序主要完成系统初始化、外设中断初始化、变量和常量定义和初始化、控制并网开关闭合、检测直流侧电压、使能变流器、使能中断及响应中断等.中断程序完成实时性较高和复杂度较高的控制算法.本设计的中断主要完成电压电流信号的采样、数据计算、电机侧与网侧电压电流的dq变换、机侧与网侧电流比例-积分控制、功率比例-积分控制，最后执行正弦脉宽调制生成PWM信号分别控制机侧和网侧变流器.

图5 PMSG发电系统主程序流程

3.4 实验结果及分析

给定风速3～12 m/s，风速每20 s变换一次，每次递加1 m/s，上位机根据风速、风力机参数计算出最大功率处的最佳转速，分别控制直流电动机和PMSG.

图6 PMSG发电系统中断程序流程

实验系统各部分参数见表1.

表1 实验系统具体参数统计

风速恒定条件下，发电系统可以稳定工作，并网电压和电流波形分别如图7和图8所示，电流频率为50 Hz左右，符合并网要求.由实验波形可以看出，并网电压和电流波形正弦形较好，谐波畸变较小，验证了所采用控制策略的有效性.

图7 并网电压波形

风速变化条件下，采用阶梯型风速模型，在实验室条件下验证风速变化对并网电流及功率的影响，根据风速波动瞬间功率的变化情况，检验了系统控制的有效性.风速设定信号如图9a所示，图9b为对应的功率趋势曲线.由图9可以看出，系统很好地实现了最佳风能追踪，并且风速变化时，功率波动较小，实验结果验证了系统具有良好的动态性能.

图8 并网电流波形

图9 发电系统并网实验结果

4 结论

(1)本文提出的最佳转速给定的最佳风能跟踪控制，以转速为中间信号，针对风速条件确定情况，给定最优转速，从而实现了最佳风能跟踪的控制策略，较适用于实验室条件下的风力发电研究.(2)机侧变流器采用d轴和q轴解耦控制，

通过转速环实现最佳风能跟踪控制，控制方法原理简单、易于实现，实验结果验证了该方法在实验室条件下的良好控制效果.

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