变速恒频永磁风力发电机D T C控制系统的研究

安徽理工大学电气与信息工程学院 崔高艺

变速恒频永磁风力发电机D T C控制系统的研究

安徽理工大学电气与信息工程学院 崔高艺

在风力发电领域，变速恒频发电系统有着显著的优越性和广阔的应用前景。在直驱型变速恒频发电系统中，永磁同步电机转速低，可与风力机直接相连，无需升速。直接转矩控制在定子坐标系下来进行直接控制定子的转矩和磁链，控制运算量更小，结构更加简单。本文即是采用直接转矩控制对永磁同步发电机的机侧变流器部分进行的相关控制技术研究，来实现最大风能捕获，并利用MATLAB/SIMULINK仿真软件，搭建了整个系统的仿真模型，验证了所提出的控制系统方案的准确性和有效性。

变速恒频；永磁同步电机；Matlab

0 引言

近年来，变桨距调节技术与变速恒频发电技术作为全球风力机与发电机的主流技术备受关注。根据发电机的运行特性以及控制方式，风力发电可分为恒速恒频(Constant Speed Constant Frequency，CSCF)和变速恒频(Variable Speed Constant Frequency VSCF)两大发电运行方式。但随着电力电子变频技术的进步，恒速恒频风力发电已逐步退出电力市场。目前，国内外变速恒频风力发电系统发展迅速，其中典型的技术方案的主要为双馈异步式风力发电、直驱型同步发电。

本文永磁同步风力发电机直接转矩控制略进行了分析，建立了各组成部分的数学模型与仿真模型，并进行相关验证。

1 永磁同步发电机直接转矩控制

永磁同步发电机直接转矩控制系统的方案设计，结构图如图1所示。在图1所示结构图中，电机的定子流量是通过电流传感器测得的，由开关信号Sa、Sb、Sc和直流母线电压Udc计算出电机的的定子电压，然后通过克拉克变换得到两相静止坐标系下电流和电压的α轴和β轴分量[1]，再通过磁链和转矩计算模块得到当前状态下的电磁转矩和定子磁链幅值、位置的实际值，再将得到的实际值与给定值做滞环比较得到滞环比较器的输出值，开关矢量表根据滞环比较器的输出值和磁链的当前位置信号判断选择出合适的电压矢量去控制磁链和转矩。

图1 永磁同步发电机直接转矩控制系统结构图

2 仿真分析

构建永磁同步发电机直接转矩控制的完整仿真系统。仿真参数设置：永磁电机定子电阻Rs=0.004054，定子电感L=3mH。定子磁链给定值为0.8wb，转矩给定值为10.5。极对数P=2，在t=0.4s时风速从0阶跃到11.5m/s。仿真结果如图2、3所示。

图2 系统磁链运动轨迹

从图2所示仿真波形可以看出，圆形磁链的毛刺较少。可以看出观测磁链达到了给定磁链，并且在设置的滞环宽度范围内上下波动，这也属于正常情况。

图3 三相定子电流Iabc

图3所示的是PMSG定子三相电流波形，ABC三相电流成正弦波，且互差120度分布。

3 总结

本论文就永磁同步风力发电机直接转矩控制略进行了从理论到仿真的深入研究，阐述了永磁同步电机的直接转矩控制技术，给出了永磁同步风力发电机的直接转矩控制系统结构图，并通过仿真结果分析，证明了本论文所述理论和方法的正确性。

[1]李冉．永磁同步电机无位置传感器运行控制技术研究[D]．浙江大学博士学位论文,2012．

[2]易伯瑜．永磁同步电机高性能无传感器控制技术研究[D]．华南理工大学博士学位论文,2014．

[3]朱军,韩利利,汪旭东．永磁同步电机无位置传感器控制现状与发展趋势[J]．微电机,2013(9)．

[4]高志军．内置式永磁同步电机驱动系统的研究与实现[D]．湖南大学硕士论文,2012．