直驅永磁風力發電機的控制策略研究

　　1 引言

　　目前，雖然在整個風力發電系統中，雙饋型風力發電系統仍占主流地位，但是直驅型發電機組憑借其固有的優勢已經開始越來越受到關注[1]。直驅型風力發電系統采用風輪直接驅動多極低速永磁同步發電機(pmsg)發電，然后通過功率變換電路將電能進行轉換后并入電網，省去了傳統雙饋式風力發電系統中故障率較高的齒輪箱這一部件，系統效率大為提高，有效地抑制了噪聲，提高了系統的運行可靠性，因而得到了市場青睞。

　　2 直驅型風電機組變流器拓撲結構

　　低壓系統中全功率變流器的兩種拓撲結構最簡形式如圖1。

　　對于主動整流拓撲而言，三相電壓型逆變器取代了不控整流和升壓斬波單元，控制發電機負載轉矩，從而實現對電機轉速的調節。這種拓撲結構采用雙pwm(pulse width modulation)全功率變流器，能夠實現對發電機的高性能控制，也避免了不控整流和升壓斬波兩級結構給系統增加的復雜性，減少了發電機的銅耗和鐵耗，并可調節發電機功率因數為1，具有較好的發展前景。鑒于電機側變流器與電網側變流器控制策略的側重點各有不同，本文提出了電機側變流器和電網側變流器分開控制的控制方法(系統控制框圖如圖2所示)，可以實現對它的有效控制，從而產生高性能的動態特性。

　　3 電機側變流器控制策略

　　本文通過控制發電機組的轉速來實現最大風能跟蹤，使發電機轉速能跟從不斷變化的風速，從風中獲取更多的能量：當風速在額定風速以下時，系統進行轉速控制的目的是保證機組運行在最大風功率追蹤狀態下;當實際風速高于額定風速時，受機械強度、發電機容量和變頻器容量等限制，必須降低風輪捕獲的能量，使功率保持在額定值附近，此時槳距角控制需要起作用，以保證機組保持在額定功率附近。

　　3.1 額定風速以下風力機最大功率跟蹤算法(mppt)

　　風機輸出的功率大小會隨著轉速的變化而變化。對任意一個風速，都有一個最優轉速使得功率最大。因此，風機控制的目標是要控制轉速使風機始終運行在輸出功率最大點。當槳距角一定時，存在一個最優的葉尖速比λ使得風能利用系數cp最大，也就是使輸出功率最大。根據公式，要實現風能的最大功率跟蹤，則必須根據風速來調節發電機轉速大小，從而維持最優葉尖速比。

　　永磁同步發電機的電磁轉矩取決于電動機的定子電流，對于直驅風力發電系統，采用永磁同步發電機，沒有增速機構，因此風力機在各種風速下的轉速就對應發電機相應的轉速，即ω=ωg，(ω是風機轉速，ωg為發電機轉速)，因此要使風力機的轉速時刻追隨風速保持為該風速下的最優轉速，就是使發電機的轉子轉速跟隨風速并保持某風速下的最優轉速。發電機轉速控制方式需要先檢測風速信號，再通過風速—最優轉速的關系自尋優找到最優轉速，將最優轉速作為參考轉速輸入到電機驅動器中，通過速度閉環系統使發電機達到最優工作點。由于發電機的速度和電磁轉矩有著直接的關系，因此可將力矩環節作為速度環節的內環進行設計。對于永磁電機不需要勵磁電流，定子電流只產生轉矩，在旋轉坐標系下，永磁電機的電磁轉矩te=1.5pψfiq只與q軸電流相關，而與d軸電流無關，所以力矩環節的控制可以轉化為電流環節的控制。于是，只需通過控制q軸電流即可實現發電機轉矩轉速的控制。速度控制方式是以電流控制為內環，速度控制為外環的閉環控制系統。發電機側變流器的主要作用是根據實際風速的變化，調節輸出電壓信號ug和電頻率fe。根據永磁電機的矢量控制原理，通過對發電機轉子電流矢量的相位和幅值進行控制即可達到調速的目的。從永磁電機的轉矩公式可以看出，當永磁體的勵磁磁鏈和直交軸電感確定以后，發電機的轉矩便取決于定子電流的空間矢量ig，而ig的大小和相位又取決于id和iq，通過對這兩個電流的控制就可以控制發電機的轉矩。一定的轉速和一定的轉矩對應于一定的id和iq，通過對這兩個電流的控制，使實際id和iq跟蹤指令值i*d和i*q，便實現了發電機和速度的控制。

　　4 電網側變流器控制策略

　　一般電網側變流器控制系統需要交流電壓傳感器、交流電流傳感器、直流電壓傳感器來檢測控制量和起保護作用，增加了系統成本，使得整流裝置體積龐大，同時傳感器信號丟失和噪聲的干擾都有可能使系統性能降低。為此研究省略傳感器控制策略很有必要。本文在傳統svpwm方法的基礎上采用虛擬磁鏈來計算角度，無需對交流電壓信號進行檢測，省去了交流電壓傳感器，降低了系統成本，減小了裝置體積，簡化了電路結構。而且對于電網干擾有較強的抑制作用，電網輸入電流的畸變較小，系統具有更好的動、靜態控制特性。

　　4.1 虛擬磁鏈的概念

　　虛擬磁鏈的概念由虛擬電機引出，可將電網側電源(圖3中虛線部分)看作一個虛擬的交流“電機”，其中的電阻與電感可分別視為虛擬電機定子電阻和定子漏感。

　　先設三相電網電壓平衡，同時忽略進線電抗器和線路電阻r。此時αβ坐標系下的三相vsr的電壓方程為：

　　由式(3)可以看出在估計磁鏈時用到了積分環節。積分初值的問題會造成觀測磁鏈的偏差。本文用兩個一階低通濾波器代替積分環節，消除了偏移，得到的虛擬磁鏈觀測器如圖4。

　　4.3 瞬時功率的估計

　　用測得的線電流值和估計的磁鏈值來估算瞬時功率。在復數領域，瞬時功率可按下式計算：

　　p=re(ui*l)

　　q=im(uli*l)

　　i*l是il的共軛復數。

　　瞬時有功功率和無功功率可以表示為：

　　p=w(ψlαilβ-ψlβilα)

　　p=w(ψlαilα-ψlβilβ)

　　4.4 引入虛擬磁鏈的svm-dpc控制框圖

　　圖5是引入虛擬磁鏈的svm-dpc控制框圖。通過測量得到的電流信號和直流側電壓信號即可估算瞬時功率和磁鏈位置角。系統以直流輸出電壓為外環控制，輸出電壓與電壓參考值的差值經由pi調節器調節得到參考電流值。將其與輸出電壓一同送入乘法器即可得到有功功率的參考值。同時，將無功功率參考值設為0，以保證整流器單位功率因數運行。內環則控制瞬時有功和無功功率，瞬時功率的計算值與參考值的比較偏差經pi控制器輸出后，轉化到α-β坐標系，將ua和uβ直接送入 pwm調制模塊來得到開關信號。

　　5 仿真分析

　　為驗證上述控制方法，本文利用matlab/simulink軟件搭建了基于直驅型風力發電機電機側以及電網側仿真模型，分別如圖6和圖7所示，主要仿真參數見附表所列，仿真結果如圖8和圖9所示。

　　永磁同步發電機參數為：額定轉速n=750rad/min，rs=1.64ω;ld=0.01547h;lq=0.0258h;ψf=0.1848wb;pn=2;te=9.55n·m。

　　圖8為風速在13m/s到14m/s階躍變化時風速、發電機轉速、風力機輸出轉矩、發電機轉矩、葉尖速比和風能利用系數波形。隨著風速的變化，d軸電流保持為零，q軸電流隨之調節，葉尖速比保持最優λopt，風能利用系數維持最大值。仿真結果證明了控制的效果，體現了變速風力發電系統較恒速風電系統捕捉能量多且工作穩定的優點，驗證了發電機側的控制算法的可行性。實現了風能的最大功率跟蹤，控制策略的穩態和動態性能得到驗證。

　　圖9為采用虛擬磁鏈矢量控制系統交流側a相電壓電流、直流電壓、瞬時有功、瞬時無功的波形。仿真結果說明在無功給定q*=0時，交流側電流波形接近正弦，電壓電流同相，實現了單位功率因數整流運行。有功、無功功率具有較好的穩態特性，p的平均值穩定在給定值p*，q的平均值穩定在給定值0，系統實現了較好的控制性能。

　　6 結束語

　　本文采用雙pwm變流器作為直驅永磁同步風力發電機的并網電路，提出了一種電機側變流器和電網側變流器分開控制的控制策略。仿真結果驗證了所提出控制策略的正確性：電機側在額定風速以下時可以很好的通過追蹤最佳葉尖速比來獲取最大風能，并穩定直流側電壓;電網側可以保持網側功率因數運行，并且省去了交流電壓傳感器，擁有較好的動、靜態性能。電機側和電網側各司其職，使得控制方法簡單、有效。