永磁直驱风力发电系统控制策略仿真研究

龙万利，黄筱叶

（湖南平高开关有限公司，长沙 410008）

0 引言

目前国内外风力发电系统主要采用永磁直驱型和双馈型发电机.与双馈风力发电机相比，永磁同步发电机（PMSG）直接与风力机连接，省去了齿轮箱，具有结构简单、易维护、噪声小、能源转换效率高、故障穿越能力强、系统稳定性好等优点［1］.风力发电系统是一个复杂的能量转换系统，有效的控制是系统安全可靠运行的关键.本文建立永磁直驱风力发电系统仿真模型，对永磁直驱风力发电系统最大功率跟踪控制、机侧变流器、网侧变流器控制策略的有效性进行仿真分析.

1 永磁直驱风力发电系统控制

采用双PWM变流器的永磁直驱风力发电系统结构如图1所示，包括机侧AC/DC变流器和网侧DC/AC变流器.

1.1 机侧变流器控制

风力机输出机械功率为［2］：

式中，Pm为风力机输出的机械功率；Cp为风能利用系数；ρ为空气密度；S为横扫风轮的面积；V为风速；β为叶片桨距角；λ为叶尖速比.

永磁同步发电机（PMSG）在dq坐标系下电压方程为［3］：

式中，usd、usq、isd、isq分别为发电机定子电压、电流的d、q轴分量；Rs为定子电阻；ωr为发电机转子转速；Ld和Lq为发电机轴d、q电感.

对式（2）进行解耦，得机侧变流器的控制方程为：

由此，可得到机侧变流器矢量控制算法如图2所示.采用功率外环、电流内环双闭环控制方案.q轴采用最大风能跟踪对应的最大功率作为外环功率参考值，与发电机实际有功功率比较，得到一个偏差，经比例积分控制器得到有功电流参考值，进而控制电磁转矩.其与实际的q轴电流产生偏差后，经过 PI调节得到 u′sq，与解耦得到的 Δusq相加得到q轴调制电压.d轴无功电流参考值＝0，与实际d轴电流偏差经PI调节得u′sd，然后与解耦得到的Δusd相加得到d轴调制电压.如此，得到两个调制电压，经dq变换，采用SVPWM调制法发出PWM波对机侧变换器进行控制.

图2 机侧变流器控制策略原理框图

1.2 网侧变流器控制

网侧变流器在dq坐标系下的电压方程为［3］：

式中，ia、ib、ic为三相交流电流；ua、ub、uc变流器交流侧的电压；ea、eb、ec电网电压；R、L分别为交流侧的等效电阻和电感.

对式（4）功率解耦后得到网侧变流器的控制方程为：

式中，KiP、KiI分别为电流内环PI调节器的比例增益和积分增益；idref、iqref分别为id和iq的给定参考值.

由此，可得网侧变流器的控制策略框图如图3所示.采用电压外环、电流内环双闭环控制方式.d轴给定直流电压与实际直流电压的偏差经PI调节输出为d轴电流设定值idref，经过PI调节得到u′gd，解耦运算得到d轴电压控制量.q轴无功电流参考值 iqref＝0，与实际 q 轴电流 iq偏差经 PI调节得 u′sq，然后与解耦得到的eq-ωeLid相加得到q轴调制电压.如此，得到两个调制电压，经dq/abc变换，然后采用SVPWM调制法发出PWM波对网侧变换器进行控制.

图3 网侧变流器控制策略原理框图

1.3 最大功率跟踪控制

最大风能跟踪是当风速小于额定风速时，提高风能利用效率的重要方法.近年来，很多研究人员对风能的最大功率跟踪控制进行了广泛的研究［4-7］.本文在常规爬山搜索法基础上进行改进，采用变步长爬山搜索法［8］，流程图如图4所示.采样测量PMSG转子k时刻和k-1时刻旋转角速度ω和电磁转矩Te，计算出k时刻和k-1时刻的机械功率P（k）、P（k-1），然后计算k时刻和k-1时刻的角速度之差Δω和功率差ΔP，判断功率差ΔP与设定的误差值Perr的大小.如果ΔP大于Perr，则说明此时的功率离最大功率点较远，则需要按大步长SL加快扰动；如果ΔP小于Perr，则说明此时功率离最大功率点不远，则需要按小步长SL/2减慢扰动.再判断Δω、ΔP是否同方向，如果Δω、ΔP同方向，则扰动方向按原来方向继续扰动；若两者方向相反，则扰动方向需要改变，则大扰动步长SL也变成-SL，小扰动的话，则SL变成-SL/2.直到P（k）＝P（k-1）结束爬山搜索.

图4 变步长爬山搜索法控制策略流程图

2 仿真分析

根据上述控制策略，建立永磁直驱风力发电系统仿真模型如图5所示.仿真参数设置如表1所示.

表1 仿真参数

（续表1） 仿真参数

图5 仿真模型

设置t＝0～2 s时，风速为8 m/s，2～4 s时为额定风速12 m/s，仿真波形如图6所示.

图6 仿真波形图

由仿真波形可知，永磁直驱风力发电系统始终按捕获风能最大功率点作为机侧变流器的有功参考值，使得双PWM始终按给定参考值输出功率.风速由8 m/s变为12 m/s时，采用变步长爬山搜索法获取最大功率后，风能利用系数Cp在风速8 m/s时，能达到约0.43，而Cp在额定风速12 m/s时，能达到约0.48.风力发电系统输出功率能够快速响应风速变化，始终跟随最大功率点而改变，机侧变流器在功率电流双环控制下发挥了作用.网侧变流器在电压电流双环控制下，能使直流母线电压维持在设定值650 V附近.

3 结论

本文研究了永磁直驱风力发电系统控制策略有效性问题.机侧变流器采用功率外环、电流内环双闭环控制；网侧变流器采用电压外环、电流内环双闭环控制；采用变步长爬山搜索法获得最大风能跟踪功率.建立了永磁直驱风力发电系统MATLAB仿真模型.仿真结果表明，采用该控制策略，系统能跟踪风能最大功率点安全、稳定运行，验证了该控制策略的有效性.