永磁直驱风电机组的直接电流矢量最优控制*

李 萌

(江苏食品药品职业技术学院，江苏 淮安 223000)

永磁直驱风电机组的直接电流矢量最优控制*

李 萌

(江苏食品药品职业技术学院，江苏 淮安 223000)

永磁直驱风电机组采用传统的矢量控制策略虽然具有算法简单、实施可靠等优点，但也存在动态响应慢、控制链路存在耦合的问题。针对这个问题，提出一种永磁直驱风力发电机组的直接电流矢量最优控制策略。新型控制策略是在永磁直驱风电机组传统dq矢量控制基础上，略微改进了控制结构，结合最优控制理论原理，引入非线性约束，并同时应用到风电变流器机侧和网侧控制中，实现了最大功率点跟踪、无功功率输出控制和电网电压支持等功能。最后，为了验证控制策略的有效性，基于MATLAB/Simulink平台搭建了永磁直驱风电机组仿真模型，并使用了传统矢量控制器和新型控制器进行了仿真对比研究。计算结果表明，使用新型直接电流矢量最优控制时，各方面控制性能明显优于传统矢量控制。

风力发电； 永磁同步发电机； 直接电流矢量控制； 最优控制； 直流电压控制

0 引 言

风力发电作为增长最快速的可再生能源，装机容量不断上升，并已经发展到海上风电[1-3]。采用永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)方案的风电机组较双馈型机组有维护性好、效率高、容量大等优点，所以得到了广泛应用[4-6]。永磁直驱风电机组配置的是全功率背靠背型风电变流器[7-8]。

直接电流矢量控制技术是一种较为先进的矢量控制技术[9-11]。文献[9-10]将其应用到了永磁直驱风电机组的控制器中，但是主要围绕变流器机侧的控制，并没有应用到变流器网侧。文献[11]将其应用到了高压柔性直流输电中的电压源型逆变器控制中，但局限于并网逆变器控制。相对于传统矢量控制策略，直接电流矢量控制显示了许多优点，如增强了系统的稳定性、可靠性和效率等。对于将直接电流矢量控制技术同时应用到全功率背靠背风电变流器的机侧和网侧，目前鲜有文献，考虑到可能对风电机组的整体控制性能有提升，因而有必要开展相关研究。

本文首先介绍了PMSG系统的整体架构、控制器层级结构及功能需求，然后针对风电变流器机侧，介绍了风机和发电机数学模型，引出了传统矢量控制方法，在传统控制的基础上设计了新型的机侧直流电流矢量最优控制器。类似的，对变流器网侧数学模型进行了介绍，引出了传统矢量控制方法后设计了新型的网侧直流电流矢量最优控制器。最后基于仿真软件搭建了仿真模型，进行了仿真计算，以传统控制和新型控制对比的方式进行了仿真验证。

1 永磁直驱风电机组的系统结构和控制架构

如图1所示，永磁直驱风电机组主要由三部分组成：风机、PMSG和风电变流器[12]。在风机传动系统中，叶片受风，捕获风能，然后传送到发电机。PMSG则将机械能转换为电能，然后通过一个背靠背结构的风电变流器进行电能转换并输送至电网。风电变流器可以细分为机侧和网侧两部分，均采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制，然后中间还有一个直流储能环节[12-13]。

图1 永磁直驱风电机组的控制架构

从图1还可看出，风电机组的控制器可以划分为三个层次，分别是PMSG控制层、风电机组控制层及系统控制层[13]。在PMSG控制层，传统的控制策略通过机、网侧dq解耦矢量控制来实现。通常机侧控制目标为控制PMSG实现最大的风能捕获，而网侧则控制直流电压稳定，同时根据需求向电网输出有功功率和无功功率。在风电机组控制层，主要是由转速控制器和功率限制控制器构成。在风速较低时，转速控制器根据最大风能捕获原理，给变流器机侧一个功率或转矩的参考值。功率限制控制器通过增加或减小风机叶片的桨距角来防止风机在高风速时超过额定功率运行。在系统控制层，电网根据实际需求，对整个风电厂全部机组的功率分配进行调整，中央控制器发出基准功率信号给每个机组，然后每个机组根据基准信息进行功率自调节。

2 风电变流器机侧控制策略

2.1 发电机数学模型

通常描述PMSG的动态方程为旋转坐标变换下的dq轴微分方程，具体的数学模型为[14]

(1)

式中：Rs——发电机定子电阻;

ωe——发电机转子电角速度；

usd、usq、isd、isq、ψsd、ψsq——dq坐标系下的发电机定子电压、电流和磁链。

如果d轴沿转子磁链位置定向，定子磁链方程为

(2)

式中：Lls——定子绕组的漏感；

Ldm、Lqm——dq坐标系下的电机定、转子的互感；

ψf——永磁体产生的固定磁链。

发电机的电磁转矩方程为

(3)

其中：p——极对数;Ld=Lls+Ldm;Lq=Lls+Lqm。

对于稳态条件，式(1)可以化简为

(4)

通常对于多极式表面贴装式永磁同步电机，有Ldm=Lqm，同时定子电阻远小于同步电抗，因此对发电机模型进行简化后可以得到[14-15]：

(5)

(6)

2.2 风机模型

风机将风能转换为机械能是由风速立方规律的方程决定的[16]：

(7)

(8)

式中：Pw——风机输出功率;

ρ——空气密度;

A——叶片受风面积;

Cp——功率系数;

β——桨距角;

νw——风速;

λ——叶尖速比(Tip Speed Ratio,TSR);

Rbl——桨叶半径;

ωm——转子机械角速度。

对于给定的β，则存在一个最优λ使得Cp最大。这就是风机的最大功率捕获(Maximum Power Point Tracking，MPPT)原理，具体如式(9)所示。

(9)

对于直驱机组，变速比ngear为1，而转矩方程为

(10)

式中：τw——风机驱动转矩;

Jeq——等效转动惯量;

Ba——主动阻尼系数，代表了风机的旋转机械损耗。

2.3 机侧传统矢量控制

对于变流器机侧，传统的矢量控制策略是一个dq轴双闭环结构，电流内环响应较快，转速外环响应较慢。具体如图2所示[12]。

图2 变流器机侧的传统矢量控制结构

其中q轴实际上控制了转矩，即功率。从式(1)和式(2)可以推导出电流环的控制方程：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

2.4 机侧直接电流矢量控制

变流器机侧的直接电流矢量控制也是一种嵌套式闭环控制结构，具体如图3所示。其控制结构主要包括三个部分：(1)转速控制输出电流参考值；(2)直接电流矢量控制部分；(3)电流控制输出电压参考值。

图3 变流器机侧的直接电流矢量控制结构

首先，根据式(10)，设计一个速度闭环控制器，实现转矩跟踪控制。由式(5)可知，速度控制器输出一个定子q轴电流参考，而d轴电流参考设置为零，即实现最小定子电流控制。

其次，根据式(15)对电流参考限幅后输出到电流内环控制器。在电流内环控制器设计中，快速性非常重要，以确保同步发电机的高运行性能，减小定子电流谐波和不平衡。虽然直接转矩控制已经得到了广泛应用[15]，但依然存在一些缺点，例如较低的电能质量，主要是取消电流内环控制器导致的[18]。但是，不同于传统矢量控制策略，基于dq轴电流误差信号输出dq轴电压，直接电流矢量控制策略是一种电流调节机制，dq轴电流环输出的是电流，输入电流误差信息实际上是告诉控制应该调整多少电流，而这是一种自适应调整。

(16)

(17)

3 风电变流器网侧控制策略

3.1 变流器网侧数学模型

变流器网侧包括直流侧储能环节、逆变器和交流输出滤波环节。其数学模型一般也采用经典的dq旋转坐标变换下的解耦模型，动态主要是由滤波器无源元件的动态构成。具体的模型描述如式(18)所示[9]。

(18)

式中:ωs——电网电压的电角频率;

Lf、Rf——输出滤波器参数;

ud、uq、ud1、uq1——网侧端口电压和输出电压的dq轴分量;

id、iq——输出电流的d轴和q轴分量。

在dq坐标系下的瞬时有功功率和无功功率的表达式，以及稳态下的有功无功功率表达式为[7]

(21)

3.2 网侧传统矢量控制

如图4所示为变流器网侧的传统矢量控制框图，类似于机侧。传统的矢量控制策略是一个dq轴双闭环结构，电流内环响应较快，外环响应较慢[13]，其中d轴电流环对应直流电压外环，q轴电流环对应电网电压外环，主要是无功补偿和电压支持控制。具体的电流环可以通过重新写式(18)得到。

(22)

(23)

式(22)和式(23)中的括号内为dq轴的状态方程，而式中其他项为补偿分量。该控制策略假设了ud1对iq没有影响，同时uq1对id没有影响。

图4 变流器网侧的传统矢量控制结构

(24)

(25)

(26)

3.3 网侧直接电流矢量控制

网侧直接电流矢量控制框图如图5所示。其控制结构主要包括：直流稳压控制和无功功率控制转换到具体的d和q轴电流控制；直接电流矢量控制部分；电流控制输出电压参考值。

图5 变流器网侧的传统矢量控制结构

(27)

(28)

4 仿真验证

为了验证前述新型控制策略的有效性，基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建了永磁直驱同步风力发电机组的仿真模型进行计算验证，具体的系统参数如表1所示。

表1 仿真系统相关参数

图6 新型控制下的最大功率跟踪和无功功率输出

图6所示为在新型控制策略下的风机最大功率跟踪和无功功率控制性能。在t=8 s之前，风速为7 m/s，在t=8 s时，风速从7 m/s上升至9 m/s，然后当t=14 s时，风速从9 m/s下降至8 m/s。无功功率参考值的变化为，在t=6 s之前，无功功率参考为0 kvar，在t=6 s时，上升至200 kvar，当t=11 s时，参考值上升至500 kvar，当t=17 s时，参考值下降至300 kvar。图6(a)所示为永磁直驱风力发电机的转速曲线。从图6(a)中可看出，风机转速随风速变化。图6(b)所示为风电机组的有功功率曲线和无功功率曲线。从图6(b)中可看出，机组的输出有功功率曲线基本接近在不同风速下最大功率曲线，而无功功率曲线基本满足了无功参考值的需求，同时在无功功率参考值发生变化时能够迅速做出调整，达到目标值。图6(c)所示为变流器机侧dq轴电流波形，q轴电流对应有功功率，其变化与风速变化正相关，d轴电流基本保持不变。图6(d)所示为变流器直流侧电压波形，在风速增大时，机侧能量注入到直流侧，直流电压有升高，但是在控制器作用下很快恢复到稳定值;同理在风速降低时，机侧能量注入减小，直流电压降低，但在控制器作用下很快恢复到稳定值，整体直流电压波动较小，在30 V以内。图6(e)和图6(f)所示为变流器网侧dq轴电流和电压波形，当t=11 s时，无功功率参考变为500 kvar，变流器网侧控制器进入到PWM非线性区，因此转换到最优控制模式，以维持直流电压，同时输出尽可能多的无功功率。在t=14 s时，随着风速从9 m/s降低到8 m/s，变流器机侧到网侧的有功功率下降，从而网侧控制器做出优化调整，可以输出更多的无功功率，如图6(g)和图6(h)所示。在t=17 s时，无功功率参考值降低到300 kvar，网侧控制切换到正常控制模式，切换过程平滑，控制性能得到了验证。

与之前工况相同，对传统矢量控制方法的性能进行了仿真分析，具体的仿真计算结果如图7(a)～图7(h)所示。从图7(d)中可以看出，在t=8 s，风速从7 m/s上升至9 m/s时，在传统矢量控制作用下，直流母线电压的波动要明显高于新型控制策略。在t=11 s时，无功功率参考变化到500 kvar，网侧控制器达到了PWM饱和点，因此控制器按照式(25)进行运算执行，使得机侧功率到直流侧后难以顺利传输到电网，造成了直流电压的剧烈波动，包括后续运行的不稳定，包括网侧电压电流的波动，如图7(d)～图7(f)所示。因此，对比试验结果显示新型控制策略具有明显的控制性能上的优势。

图7 传统控制下的最大功率跟踪和无功功率输出

5 结 语

本文围绕永磁直驱风电机组的新型直流电流矢量最优控制策略进行相关研究。基本研究思路是在机侧和网侧传统矢量控制的基础上，针对其设计上的考虑不足，改进了控制结构，并根据最优控制原理，引入了非线性约束后得到了新型的直流电流矢量最优控制策略。基于MATLAB/Simulink仿真软件搭建了数学模型进行了仿真计算和验证。现总结主要结论如下：

(1) 应用本文提出的新型直接电流矢量最优控制策略，永磁直驱风电机组能够很好地适应风速的变化，稳定地实现最大风能捕获和直流稳压控制。

(2) 仿真计算结果表明，与传统矢量控制对比，新型控制策略能更好地实现机组到电网的能量输送，稳定性更强。

[1] 刘波,潘巧波.大型直驱风电机组快速响应控制策略[J].电机与控制应用,2015,42(11): 62-66.

[2] 江道灼,谷泓杰,尹瑞,等.海上直流风电场研究现状及发展前景[J].电网技术,2015,39(9): 2424-2431.

[3] 王志新,吴杰,徐烈,等.大型海上风电场并网VSC-HVDC变流器关键技术[J].中国电机工程学报,2013,33(19): 14-26.

[4] 刘波,潘巧波.大型直驱风电机组快速响应控制策略[J].电机与控制应用,2015,42(11): 62-66.

[5] 涂娟,汤宁平.一种新型直驱式风力发电系统控制策略[J].电机与控制应用,2015,42(7): 52-56.

[6] BLAABJERG F, MA K.Future on power electronics for wind turbine systems[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2013, 3(1): 139-152.

[7] 李和明,董淑惠,王毅,等.永磁直驱风电机组低电压穿越时的有功和无功协调控制[J].电工技术学报,2013,28(5): 73-81.

[8] YUAN X, WANG F, BOROYEVICH D, et al.DC-link voltage control of a full power converter for wind generator operating in weak-grid systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(9): 2178-2193.

[9] LI S, HASKEW T A, XU L.Conventional and novel control designs for direct driven PMSG wind turbines[J].Electr Power Syst Res, 2010, 80(3): 328-338.[10] LI S, HASKEW T A, HONG Y.PMSG maximum wind power extraction control using adaptive virtual lookup table approach in direct-current vector control structure[J].Int J Energy Res, 2011, 35(11): 929-1022.

[11] LI S, HASKEW T A, XU L.Control of HVDC light systems using conventional and direct-current vector control approaches[J].IEEE Transaction on Power Electronics, 2010, 25(12): 3106-3188.

[12] 肖园园,李欣然,张元胜,等.直驱永磁同步风力发电机的等效建模[J].电力系统及其自动化学报,2013,25(1): 12-28.

[13] CHINCHILLA M, ARNALTES S, BURGOS J C.Control of permanent magnet generators applied to variable-speed wind-energy systems connected to the grid[J].IEEE Transactions on Energy Conversions, 2006, 21(1): 130-135.

[14] 贾红云,程明,花为,等.基于死区补偿的磁通切换永磁电机定子磁场定向控制[J].电工技术学报,2010,25(11): 48-56.

[15] 王斌,王跃,王兆安.空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制[J].电机与控制学报,2010,14(6): 45-26.

[16] TAPIA A, TAPIA G, OSTOLAZA J, et al.Modeling and control of a wind turbine driven doubly fed induction generator[J].IEEE Transactions on Energy Conversions, 2003, 18(2): 193-204.

[17] RESTREPO J A, ALLER J M, VIOLA J C, et al.Optimum space vector computation technique for direct power control[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, 24(6): 1637-1645.

[18] 滕青芳,柏建勇,朱建国,等.基于滑模模型参考自适应观测器的无速度传感器三相永磁同步电机模型预测转矩控制[J].控制理论与应用,2015,32(2): 150-161.

Direct Current Vector Optimal Control for Permanent Magnet Direct-Driven Wind Turbines*

LIMeng

(Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College, Huaian 223000, China)

Direct-driven permanent magnet synchronous generator wind power system with traditional vector control strategy has serval advantages, such as simple algorithm, and reliable implementation.However, there are also slow dynamic response and control link coupling problem.Aiming at it, a direct current vector optimal control for direct-driven permanent magnet synchronous generator wind power system was proposed.The new control strategy was based on traditionaldqvector control method.In order to achieve the maximum power point tracking and reactive power control and grid voltage support, the traditional vector control structure was slightly modified, and the nonlinear constraint was introduced with the optimal control theory, and then the new controller was applied to both the generator side and grid side of the wind power converter.In order to verify the validity of the proposed method, the simulation model of the wind power system was built with MATLAB/Simulink platform, and the traditional vector controller and the new controller was simulated and compared.The results showed that, using new type of direct current vector optimal control, the control performance was significantly superior to the traditional vector control.

wind power; permanent magnet synchronous generator; direct-current vector control; optimal control; DC-link voltage control

淮安市重点研发计划(HAG2015018)；淮安市应用研究与科技攻关(农业)计划(HAN2014037)

李 萌(1984—)，男，硕士研究生，研究方向为电气自动化和新能源发电。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)03- 0022- 08

2016 -07 -11