張 蔚，王 岳，楊 奕

ZHANG Wei1,2, WANG Yue3, YANG Yi2

(1.南通大學(xué) 杏林學(xué)院，南通 226019；2.南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南通 226019；3.江蘇通達(dá)動力科技股份有限公司，南通 226019)

0 引言

在直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)不需要勵磁裝置，具有重量輕、效率高、功率因數(shù)高和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)子上取消了勵磁繞組，磁極結(jié)構(gòu)簡單，可以做成多極電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速降低使風(fēng)輪機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)可直接耦合，省去了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的齒輪增速箱，減小了發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作并降低了噪聲，使直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)從眾多變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中脫穎而出，具有很好的發(fā)展前景。由于永磁同步發(fā)電機(jī)輸出的交流電由不可控整流后,經(jīng)電容濾波,再經(jīng)逆變器將能量送給電網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)速較低時,直流電壓會很低, 過低的直流電壓將引起電壓源逆變器無法完成有源逆變過程,進(jìn)而無法將功率饋入電網(wǎng)。為了最大限度地利用風(fēng)能,使直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)工作在一個較寬風(fēng)速范圍內(nèi),得引入DC-DC Boost升壓斬波電路。交錯并聯(lián)Boost電路能夠在開關(guān)頻率較低的情況下獲得較小的輸入電流紋波與輸出電壓紋波，同時還能夠降低開關(guān)損耗，成倍增加輸出功率的等級減少單個電感的容量，在具有良好校正效果的前提下，可大幅度減少整個功率電路的成本。因此，交錯并聯(lián)Boost非常適合用于大電流、高功率的應(yīng)用領(lǐng)域，較大功率開關(guān)電源及直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的直流升壓部分[1～4]。本文采用三相交錯并聯(lián)Boost電路對直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行最大功率跟蹤控制，并基于TMS320F2812搭建了實(shí)驗(yàn)室硬件平臺,對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 風(fēng)力機(jī)特性

風(fēng)力機(jī)把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能是一個復(fù)雜的空氣動力學(xué)過程，很難精確描述它。為了研究需要，人們設(shè)計(jì)了一種簡單的模型來描述風(fēng)力機(jī)的特性，它反映了風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中吸收功率的關(guān)系，如公式（1）—（4）所示。風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)CP反映了風(fēng)力機(jī)吸收利用風(fēng)能的效率，它隨風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)如功角和槳距角等而變化。當(dāng)風(fēng)速變化時，可通過調(diào)節(jié)式(2)中的比值就可以得到最佳葉尖速比，即可得到Cpmax，從而達(dá)到最大風(fēng)能捕獲[3]。

式中， P ——通過風(fēng)輪掃掠面積風(fēng)的功率，單位為W；

ρ——空氣密度，單位為kg/m3；

R ——風(fēng)輪半徑，單位為 m；

v ——實(shí)際風(fēng)速，單位為m/s；

CP——風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)；

ω——風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)的角速度；

λ——葉尖速比。

風(fēng)力機(jī)的功率可以由風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)角速度的乘積來表示，其關(guān)系為：

P=Tω

根據(jù)式(1)可以推導(dǎo)出風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

式中，T 為轉(zhuǎn)矩，單位為N m；

CT=CP/λ為反映轉(zhuǎn)矩大小的系數(shù)。根據(jù)式(1)和式(5)可以知道，風(fēng)力機(jī)的最大功率和最佳轉(zhuǎn)矩分別與轉(zhuǎn)速的三次方和二次方成正比，風(fēng)力機(jī)特性曲線如圖1和圖2所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)功率—轉(zhuǎn)速曲線

圖2 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩曲線

2 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要包括風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、DC/DC變換電路、DC/AC變換電路以及負(fù)載等組成。系統(tǒng)電路圖如圖3所示，其中DC/DC變換電路選擇三相交錯BOOST電路，DC/AC變換電路選擇三相電壓型逆變電路。通過對DC/DC、DC/AC變換器的控制，將永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的變頻變幅電壓轉(zhuǎn)化為恒頻恒幅電壓輸出。

圖3 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

2.2 最大功率跟蹤的原理

最大功率追蹤算法是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能利用率最大化的優(yōu)化算法，即在一定的風(fēng)速條件下，通過對等效負(fù)載的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整變化，使得風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比曲線上，從而能夠及時地捕獲到隨機(jī)波動的最大風(fēng)能，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率最大，提高風(fēng)能的利用率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

圖4 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速—功率曲線

圖4為風(fēng)力機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速特性曲線，由圖4可知，在某一固定轉(zhuǎn)速下，風(fēng)速越大風(fēng)力機(jī)輸出功率越大；風(fēng)速固定時，風(fēng)力機(jī)在特定轉(zhuǎn)速下才可以輸出最大功率，轉(zhuǎn)速過小或過大時，風(fēng)力機(jī)輸出功率都會變小。圖4中實(shí)線為不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出最大功率的連線，也稱為最佳功率負(fù)載線。要在風(fēng)速不斷變化時獲取最大風(fēng)能，風(fēng)力機(jī)必須始終跟蹤其最大功率點(diǎn)，使風(fēng)力機(jī)在最佳葉尖速比下運(yùn)行，輸出最大機(jī)械功率。

2.3 MPPT控制策略

傳統(tǒng)爬山算法，在跟蹤控制過程中，擾動步長過大時，不可避免地出現(xiàn)在最大功率點(diǎn)附近振蕩的現(xiàn)象，導(dǎo)致跟蹤的最大功率點(diǎn)與實(shí)際值相差很大，降低了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；擾動步長過小時，則會降低跟蹤的快速性。因此需要權(quán)衡準(zhǔn)確性與響應(yīng)速度，確定一種既可以減少最大功率點(diǎn)附近振蕩，又可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和快速地跟蹤最大功率點(diǎn)的控制方法。本文采用改進(jìn)的變步長爬山算法來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制[4]，其控制流程圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的爬山算法流程圖

圖5中U(n)、I(n)、P(n)為測量和計(jì)算的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流和功率值，而P(n-1)為上次計(jì)算的發(fā)電機(jī)功率值，PZ為功率增量的基準(zhǔn)值，M為步長，L為符號控制變量，d為初始占空比D(n)和D(n-1)分別為第(n)、(n-1)次的占空比。

2.4 逆變器控制策略

直接電流控制是一種電流跟蹤控制方式，通常采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制模式。這類電流型控制技術(shù)是檢測電感電流或功率開關(guān)電流，并將它作為電流內(nèi)環(huán)的反饋信號，然后將它與電壓外環(huán)的輸出信號(電流給定) 經(jīng)比較器比較后去控制功率開關(guān)的占空比，使功率開關(guān)的峰值或谷值電流直接跟隨電壓反饋回路中誤差放大器輸出信號的變化。這種控制方式具有電流波形好、動態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好和調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點(diǎn)[5]。本文采用滯環(huán)電流跟蹤控制，其控制策略的系統(tǒng)原理圖如圖6所示。由相位檢測環(huán)節(jié)得到的同步信號與并網(wǎng)電流幅值給定一起送正弦波發(fā)生器，生成與電網(wǎng)電壓同頻同相的參考電流信號 ，再經(jīng)滯環(huán)比較器對并網(wǎng)電流反饋信號 與 偏差進(jìn)行調(diào)制得到開關(guān)管控制信號。

圖6 并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)控制原理圖

3 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究

3.1 基于三相交錯BOOST電路MPPT仿真研究

本文利用仿真軟件Matlab/Simulink對直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電MPPT控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真研究。模型如圖7所示。仿真模型由風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)模型、三相交錯BOOST電路、MPPT控制算法模塊組成，其中風(fēng)力機(jī)仿真參數(shù)為風(fēng)力機(jī)額定功率5kW，葉片半徑為3.5m，最大風(fēng)能利用系數(shù)為0.4，槳距角為0度，發(fā)電機(jī)額定功率為5kW，內(nèi)阻為0.5Ω，d軸電感與q軸電感均為3mH，磁鏈大小為0.5Wb，極對數(shù)為7，直流側(cè)電感為2.3mH，濾波電容為2mF，負(fù)載為80Ω，負(fù)載濾波電容為470 uF。

圖7 直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型

風(fēng)速的給定階躍信號在第2s從5m/s突變到8m/s，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。從圖8占空比的波形圖中可知占空比在風(fēng)速為5m/s時能夠保持在0.34附近，而當(dāng)風(fēng)速在8m/s時能夠保持在在0.53附近，波動很小，系統(tǒng)較為穩(wěn)定。從圖9可以看出，輸出的功率波形平穩(wěn)，而且跟蹤速度很快，在0.8s以內(nèi)就能夠跟蹤到最大輸出功率。

圖8 占空比波形圖

圖9 風(fēng)力機(jī)輸出功率

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，在實(shí)驗(yàn)室中使用一臺6kW他勵直流電動機(jī)來拖動5kW的永磁同步發(fā)電機(jī)，通過直流電動機(jī)來模擬風(fēng)力機(jī)，搭建了基于DSPTMS320C2812的實(shí)驗(yàn)室硬件平臺，功率開關(guān)IGBT選擇三菱公司生產(chǎn)的IPM模塊型號為PM50RLA120。由于電網(wǎng)相電壓有效值為220V，為了系統(tǒng)逆變能得到220V交流電， 逆變器輸入電壓應(yīng)為380V左右，逆變器開關(guān)頻率為20kHz，濾波電感為10mH。對該系統(tǒng)進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10和圖11所示。圖10為直流側(cè)電壓波形，圖11為a相電壓與電流波形圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明直流電壓波形比較平穩(wěn)，逆變器輸出電流為穩(wěn)定的正弦波，且與電網(wǎng)電壓相位相同，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)電能傳送。

圖10 直流側(cè)電壓波形

圖11 逆變器輸出波形圖

4 結(jié)束語

本文采用改進(jìn)的變步長最大功率跟蹤算法改變占空比對三相交錯Boost電路進(jìn)行控制，采用滯環(huán)電流跟蹤控制對逆變器進(jìn)行控制，使直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)獲取最大功率，并實(shí)現(xiàn)近似單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行。通過仿真與實(shí)驗(yàn)研究證明了其控制策略的正確性與可行性。

[1] 閆耀民,范瑜,汪至中.永磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的自動優(yōu)[J].電工技術(shù)學(xué)報,2004,17(6):82-86.

[2] 吳迪,張建文.變速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J].大電機(jī)技術(shù),2006,(6):51-55.

[3] 劉其輝,賀益康,趙仁德.基于直流電動機(jī)的風(fēng)力機(jī)特性模擬[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2006,(4):134-139.

[4] 李揚(yáng).永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模擬仿真及MPPT方法研究[D].河北:燕山大學(xué),2010.

[5] 李友紅,黃守道.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中PWM并網(wǎng)逆變器的研究[J].電氣應(yīng)用,2006,(10):63-65.