馬安仁，王彩霞，周志文，吳韜，王曉燕

(西北民族大學(xué) 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730124)

0 引言

在大功率風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中交流勵磁雙饋電機(jī)發(fā)電機(jī)(簡稱DFIG)和直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)各占有一席之地[1－2]。DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速匹配是一個關(guān)鍵問題，低速運轉(zhuǎn)的風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)一般需要通過升速齒輪箱連接。大容量齒輪箱價格昂貴、故障率高和維護(hù)困難，它的存在已成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。因此，研究直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是提高效率和可靠性的有效途徑之一。

直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有變速運行，變槳距調(diào)解，低轉(zhuǎn)速，高效率，高功率因數(shù)等特點[3]。該發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要包括:最大功率跟蹤控制系統(tǒng)(MPPT)[4]，用于跟蹤風(fēng)機(jī)的最大功率，提高風(fēng)能利用率;網(wǎng)側(cè)逆變器的功率解耦控制系統(tǒng)，用于完成有功功率和無功功率的分別調(diào)整[5];變槳距控制系統(tǒng)，用于完成在高風(fēng)速下的恒功率控制。本文建立了直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方式和電網(wǎng)電壓合成矢量定向的控制策略，實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制[6－9];用經(jīng)典 PI調(diào)解器控制Boost電路的占空比，從而實現(xiàn)了MPPT控制;同樣在高風(fēng)速下用經(jīng)典PI調(diào)解器控制槳距角[10]，實現(xiàn)了變槳距恒功率控制。通過MATIAB仿真證明了方案的可行性和正確性。

1 驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)主系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)、不控整流、Boost電路、直流側(cè)儲能電容、PWM逆變器、交流側(cè)濾波電抗器等組成。

圖1 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

不控整流電路具有結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高等特點，因此被廣泛用于PMG發(fā)電機(jī)機(jī)端整流系統(tǒng)中;Boost電路(圖3所示)用于發(fā)電機(jī)MPPT控制;PWM逆變器實現(xiàn)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制和功率解耦控制;交流側(cè)濾波電抗器用于抑制變流器輸出諧波。在本論文中，PWM逆變器主電路采用三電平逆變電路(圖2所示)，該電路具有:網(wǎng)側(cè)電流畸變率低，開關(guān)頻率較二電平變流器低，開關(guān)損耗小，交流側(cè)濾波電控器容量小等特點[11－12]。

2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

圖1中，設(shè)三相電網(wǎng)電壓為:

式中Em為相電壓峰值;ω為電網(wǎng)角頻率。

設(shè)網(wǎng)側(cè)線路總電阻為R，可得:

式中ik，uk分別為并網(wǎng)逆變器輸出電流和輸出電壓。

經(jīng)兩相靜止變換和兩相旋轉(zhuǎn)變換后得到在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型為[13]:

(3)式中ud，uq為逆變器輸出電壓在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸電壓;id，iq為逆變器輸出電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸電流;ed，eq為網(wǎng)側(cè)電壓在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d軸和q軸電壓。

在以上動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用以電網(wǎng)電壓合成矢量為定向的控制策略，即:ed=Es，eq=0。

將ed=Es，eq=0代入式(3)，同時忽略平波電抗器電阻，整理得[14]:

為了實現(xiàn) d，q軸電流分量的解耦控制，達(dá)到有功功率和無功功率的解耦控制，令:

則有:

從而實現(xiàn)了電流有功分量id和電流無功分量 iq的解耦控制。

網(wǎng)側(cè)變換器的主要控制目標(biāo)為:① 維持直流母線電壓恒定，并穩(wěn)定地向電網(wǎng)傳輸有功功率;② 通過無功電流環(huán)控制網(wǎng)側(cè)變換器輸出無功功率，從而滿足電網(wǎng)對無功功率的要求[15]。

由上述理論推導(dǎo)可見，經(jīng)典的基于 d，q坐標(biāo)系下的解耦控制，配合簡化的SVPWM矢量控制可很好地實現(xiàn)上述要求。將檢測到的電流進(jìn)行3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換，得到按電網(wǎng)電壓合成矢量定向下的電流分量id，iq采用電流 PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的輸出為逆變側(cè)輸出電壓的給定值 u*d，u*q，再經(jīng)過SVPWM控制逆變器輸出三相電壓。控制框圖如圖4。

圖4 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流器控制圖

在圖 4中，電流分量 id，iq反應(yīng)了發(fā)電機(jī)輸出有功功率和無功功率的大小，故 id，iq的整定值和由發(fā)電機(jī)功率控制系統(tǒng)來確定[16－17]。采用直流側(cè)電壓Udc經(jīng) PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)閉環(huán)控制由發(fā)電機(jī)無功功率給定值Q*以及網(wǎng)側(cè)電壓的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后確定，用于控制變換器與系統(tǒng)間的無功功率交換及變流器網(wǎng)側(cè)電壓的穩(wěn)定;同時應(yīng)當(dāng)考慮發(fā)電機(jī)最大電流 Imax對和的約束;從而得到和控制算法框圖如圖5。

圖5 和控制算法圖

3 Boost電路控制及變槳距控制

根據(jù)空氣動力學(xué)的原理可以得出，風(fēng)輪機(jī)輸出功率的表達(dá)式為:

公式(6)中P為風(fēng)輪機(jī)輸出功率，ρ為空氣密度，A為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)截面面積(掃掠面積)，υ為風(fēng)速，Cp=f(λ，α)為風(fēng)輪功率系數(shù)，λ=ωR/υ為風(fēng)輪葉尖速比，α為風(fēng)機(jī)槳矩角。該公式說明在相同風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)的不同轉(zhuǎn)速會使其輸出的功率不同，要捕獲最大風(fēng)能必須在風(fēng)速變化時及時調(diào)整轉(zhuǎn)速ω，并保持最佳葉尖速比。為實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，根據(jù)風(fēng)力機(jī)的3種典型運行狀態(tài)可以做出相應(yīng)調(diào)整:① 低風(fēng)速段實行變速運行，可保持一個恒定的Cp值。調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速并保持λ不變，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到極限。根據(jù)最佳功率曲線，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有最高的轉(zhuǎn)換效率;② 風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速附近運行時，隨著風(fēng)速的變化，調(diào)整轉(zhuǎn)速，改變Cp的值，控制風(fēng)力機(jī)運行直到輸出最大功率;③ 在高于額定風(fēng)速時，主要通過改變變槳距系統(tǒng)的槳葉節(jié)距來限制風(fēng)力機(jī)獲取能量，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率達(dá)到極限并趨于穩(wěn)定。

由于直流側(cè)電壓Udc采用恒壓控制，所以續(xù)流電感電流il的大小反應(yīng)了發(fā)電機(jī)輸出用功功率的大小。因此Boost電路占空比調(diào)節(jié)可采用如下控制策略:

采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)(速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán))，在情況①下用最大功率曲線查出當(dāng)前功率點的最優(yōu)轉(zhuǎn)速ω*作為轉(zhuǎn)速整定值，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速;用PI調(diào)節(jié)器計算出續(xù)流電感電流，由與il的差值調(diào)節(jié)Boost電路的占空比Duty-cycle，進(jìn)而調(diào)節(jié)續(xù)流電感電流il，從而控制發(fā)電機(jī)輸出有功功率 PG?？刂屏鲌D如圖6所示。

圖6 Boost電路控制算法圖

圖7 變槳距控制算法圖

在情況②和情況③下用發(fā)電機(jī)額定功率 PGN查出轉(zhuǎn)速 ω*作為轉(zhuǎn)速整定值，通過圖3調(diào)節(jié) Boost電路的占空比Duty-cycle，使發(fā)電機(jī)輸出有功功率穩(wěn)定在額定功率 PGN;同時根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)槳距角 Pitch，實現(xiàn)變槳距調(diào)節(jié)，變槳距控制流圖如圖7所示。

4 基于MATIAB的仿真

本文在MATIAB中設(shè)計了仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)的參數(shù):風(fēng)場有5臺2 MW發(fā)電機(jī)，端電壓為597 V、頻率f=60 Hz;額定的直流側(cè)電壓1 150 V，直流側(cè)電容(DC bus capacitor)=0.075 F，額定風(fēng)速 =12 m/s。

第一種情況:在仿真時要求網(wǎng)側(cè)逆變器運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，因此設(shè)定Q*=0;初始風(fēng)速為8 m/s，在t=10 s時風(fēng)速上升到10 m/s，在t=20 s時風(fēng)速上升到13 m/s;仿真時間為30 s。以下仿真圖形均根據(jù)風(fēng)速的變化而變化。

由仿真圖8和圖9可以看出，在低風(fēng)速段(風(fēng)速在8 m/s和10 m/s時)，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會隨風(fēng)速的變化而及時調(diào)整(圖9左)，實行了變速運行，有功功率會隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而快速調(diào)整(圖8左)，實現(xiàn)了最大風(fēng)能捕捉;當(dāng)風(fēng)速接近額定風(fēng)速或超過額定風(fēng)速時(風(fēng)速在13 m/s時)，發(fā)電機(jī)采用變槳距調(diào)節(jié)(圖9右)，槳距角隨風(fēng)速的變化而及時調(diào)整，有功功率會穩(wěn)定在發(fā)電機(jī)額定功率附近(圖8左)，實現(xiàn)了恒功率控制;由于采用了單位功率因數(shù)控制，發(fā)電機(jī)輸出無功功率始終在0附近變化(圖8右)。

第二種情況:在仿真時要求網(wǎng)側(cè)逆變器運行Q*=1 MVar，其他仿真條件不變，仿真結(jié)果如下:

由仿真圖10和圖11可以看出，在低風(fēng)速運行時，有功功率會隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而快速調(diào)整(圖10左，圖11左)，實現(xiàn)了最大風(fēng)能捕捉;在高風(fēng)速運行時，有功功率基本穩(wěn)定在額定功率附近，而槳距角隨風(fēng)速快速調(diào)整(圖10左，圖11右)，實現(xiàn)了恒功率控制;發(fā)電機(jī)輸出無功功率穩(wěn)定后始終在1 MVar附近變化，可見無功功率不會隨風(fēng)速的變化而調(diào)整，從而很好地實現(xiàn)了功率解耦控制(圖10右)。

5 結(jié)束語

本文通過對直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制方法的研究。建立了基于電網(wǎng)電壓合成矢量為定向的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率解耦控制模型，并對網(wǎng)側(cè)逆變器在低風(fēng)速下采用基于最大功率跟蹤控制策略，在高風(fēng)速下采用恒功率變槳距控制策略。經(jīng)仿真得出功率、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及槳距角的變化曲線，并分析比較，可以得出:

(1)基于電網(wǎng)電壓合成矢量為定向的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率解耦控制方法具有較快的調(diào)解特性，能適應(yīng)風(fēng)速的快速變化。

(2)在低風(fēng)速下能完成最大功率捕獲控制，能提高風(fēng)機(jī)的能源轉(zhuǎn)化效率。

(3)在高風(fēng)速下能完成恒功率變槳距控制，能很好地保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，使之不產(chǎn)生過負(fù)荷。

(4)具有較好的有功、無功解耦控制效果。

因此，該控制方法對于兆瓦級風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義，對利用新能源進(jìn)行發(fā)電具有一定的參考價值。

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