模拟风力发电控制系统的设计

雷慧杰，张艳伟，葛峰

（1.安阳工学院，河南安阳，455000；2.安阳钢铁集团公司，河南安阳，455000）

0 引言

风力发电技术是目前新能源中技术最成熟、最具有商业开发价值的一种发电方式之一[1]，越来越多的国家已经注意到风电开发能够缓解当前环境日益恶劣的现状。结合当前我国节能减排的形式，开发研究风电是极具意义的。本文基于研旭风力发电仿真平台，通过将风力发电机组的整套设备抽象成发电仿真平台，以此来模拟直驱式风力发电系统，通过修改仿真系统的风速参数，获取不同风速下的发电特性。

1 系统概述

实际的直驱式风力发电系统主要由风轮、永磁同步发电机、交直交变流器（背靠背连接）等组成[2]。风轮带动发电机，从而发出三相交流电，三相交流电再通过PWM 整流器将交流电变为直流电，再通过PWM 逆变器将直流电逆变为三相交流电，再通过电感滤波，变压器升压后将并入主网。在仿真平台系统中，风轮由异步电动机代替，通过变频调速，从而模拟自然风变化的情况。

直驱式风力发电仿真平台主要由主控台、背靠背变流柜、风电仿真平台组成。系统结构如图1 所示。

图1 系统整体结构图

2 系统原理

模拟风力发电是在研旭风力发电控制系统上进行，采用了三相异步电动机和永磁多极同步发电机（PMSWG）直接耦合直驱式风力发电系统，其原理如图2 所示。

图2 直驱式风力发电控制系统原理

PMSWG 产生的功率通过定子PWM 整流器整流成直流电，与中央DC 总线并联的大电容器充当稳定的电压和能量存储缓冲器，通过并网的PWM 逆变器将直流电转变成与电网相同的频率的交流电并馈入电网，电网PWM逆变器和定子PWM 逆变器具有相同的结构。

3 双PWM 变换器的基本工作原理

双PWM 变换器可以根据需要以整流或逆变器模式运行，并且能量可以双向流动。定子PWM变换器通常采用转子磁链定向，同时将PMSWG 的定子电流控制为正弦波形，以实现转速以及功率因数的调节；并网PWM 变换器使用电网电压矢量定向将直流电转换为对称的正弦交流电，以实现并网和有功/无功解耦。

通过定子PWM 变换器或基于电网的PWM 变换器控制直流母线电压，以保持高于电网幅度的稳定值，以便于将能量传输至电网（如图3 所示）。如果定子PWM 变换器控制直流母线电压，则与市电相连的PWM 变换器的任务是跟踪最大风能，并且必须根据风速控制PMSWG 速度或与市电相连的电流。如果基于电网的PWM 变换器控制直流母线电压，则定子PWM 变换器负责跟踪最大风能。通常根据风速将PMSWG 速度控制为达到最佳速度。能量流通常从PMSWG 流向主电源，此时PMSWG 在正常发电模式下运行，但是当PMSWG 启动时，能量可以从市电流向PMSWG，因此PMSWG 在电动状态下能够快速启动。

图3 双PWM 变换器的基本工作原理

4 永磁同步发电机的数学模型

■4.1 A-B-C 坐标系下的数学模型

电压方程为：

其中，ua、ub和uc分别是定子三相绕组端电压，Rs是定子绕组相电阻，ia、ib和ic分别为定子三相绕组电流，为微分算子，ψa、ψb和ψc分别为定子三相绕组的磁链。

转矩方程为：

磁链方程为：

其中，Laa、Lbb和Lcc为各项绕组自感，且三者相等；Mx为各绕组之间的互感，公式中6 个相关量相等；ψf为永磁体磁链；θ为转子N 极与a 相轴线夹角。

■4.2 α-β 坐标系下的数学模型

通过Clack 变换可以将A-B-C 坐标系下的模型转换为α-β 坐标系下的数学模型。

电压方程为：

其中，uα和uβ为定子电压在α-β 轴分量；iα和iβ为定子电流在α-β 轴分量；ψ α和ψβ为定子磁链在α-β 轴分量。

磁链方程为：

其中，Ls为电感在α-β 轴分量；θ为转子旋转的电角速度。

转矩方程：

其中，电机极对数p=4。

■4.3 d-q 坐标系下的数学模型

α-β 坐标系下的数学模型经过Park 变化可以转换为d-q 坐标系下的数学模型。

电压方程为：

其中，ud和uq为定子电压在d-q 轴分量；id和iq为定子电流在d-q 轴分量；ψd和ψq为定子磁链在d-q 轴分量；为微分算子。

磁链方程为：

其中，Ld和Lq为电感在d-q 轴分量。

转矩方程为：

由公式（9）可知转矩有前半部分的电磁转矩和后半部分的磁阻转矩组成，而磁阻转矩是由凸极效应所产生，本文采用的内置式永磁同步电机有Ld=Lq的关系，则有：

电机的运动方程为：

其中，TL为负载转矩；J为转动惯量；Ωr为转子机械转速。

5 软件设计

■5.1 主程序设计

风力发电控制系统的整体程序框架如图4 所示。当发出初始化指令后，PWM、AD、SCI、总线、GPIO 等中断模块进行初始化，初始化后判断系统是否正常，如果正常进行启动，若不正常再次初始化。当系统正常时开始启动，系统判断是否过压/欠压，若果过压或者欠压者启动保护，当启动系统保护时则禁止PWM 工作，如果正常则启动标志位为有效，满足串口发送条件，则启动串口发送，并且最大功率跟踪MPPT。

图4 主程序流程图

■5.2 SVPWM 算法

当内环电流Id和Iq经过PID 控制后输出交流电压矢量Vd和Vq，采用前馈解耦控制策略，Vd为：

Vd和Vq经过PARK 逆变换即可得到Uα和Uβ，从而确定开关管的导通时间，SVPWM 的算法流程图如图5 所示。

图5

6 测试结果分析

依据上述模拟风力发电控制系统结构设计，在研旭风力发电控制系统仿真实验平台配置仿真参数，运行仿真软件后，通过观察记录参数得到测试结果。

在上位机软件安装在主控台的工控机中，打开“DirectDrivePlat”登陆，将整流器和逆变器全部开启，当登陆成功后，出现如图6 所示的主界面。

图6 上位机软件界面

经测试，发电机三相交流电流波形如图7 所示，直流母线电压、电流波形如图8 所示，电网电压、电流波形如图9 所示。可以看出，系统功率因数接近1，并网电流谐波含量较小。

图7 发电机三相电流波形图

图8 直流母线电压、电流波形图

图9 电网电压、电流波形图

其功率曲线如图10 所示，呈现周期性变化，从最小风速到最大风速其功率随着风速增加而不断增加，当达到最大功率后，又会返回到所设定的最小风速，再一次增加，以此不断的循环。

图10 功率曲线

风机发电实时参数在随着风速变化而不断变化（如图11 所示），当其电机转速为377r/min 时，转矩为7.9%，输出频率为16.60Hz，发电功率为0.2kW。

图11 风机发电实时参数

7 结论

本文对模拟风力发电系统的控制策略进行了研究，对并在仿真平台上进行了测试，结果表明并网电流呈现出较好的正弦波，基本实现风能最大跟踪控制。