馬啟蒙，李東東，薛 花

(上海電力學院電氣工程學院，上海 200090)

隨著能源的枯竭和傳統火力發(fā)電對環(huán)境的污染，可再生能源的發(fā)展受到更多的關注，其中風能蘊量巨大，發(fā)展迅速.

由于傳統恒速恒頻(Constant Speed Constant Frequency，CSCF)風力發(fā)電機組風能利用率較低，基于電力電子和其他新技術的快速發(fā)展，變速恒頻(Variable Speed Constant Frequency，VSCF)風力發(fā)電機組逐漸取代恒速恒頻風力發(fā)電機組成為主流機組.當前應用較多的VSCF風力發(fā)電機組為永磁同步風力發(fā)電機(Permanent Magnet Synchronous Generation，PMSG)和雙饋感應風力發(fā) 電 機 (Doubly Fed Induction Generator，DFIG).［1-3］與 DFIG 相比，PMSG 具有如下優(yōu)點:沒有龐大的齒輪箱;發(fā)電機無需直流勵磁裝置;對于最大風能捕獲和網側變流器可以實現全控和較強的故障穿越能力，效率及可靠性更高.因此，關于PMSG的研究和工業(yè)應用越來越多.［2-3］

變速恒頻風力發(fā)電機運行在額定風速以下時，需要采用最大功率追蹤控制(Maximum Power Point Tracking，MPPT)保證最大程度利用風能，提高風力發(fā)電機組效率.風力發(fā)電MPPT的控制策略可以歸納為葉尖速比控制、功率信號反饋控制和爬山尋優(yōu)控制3類，功率信號反饋和爬山尋優(yōu)適合風速變化較慢的情況.［4-8］在實驗室條件下需要模擬風力機運行的各種工況，鑒于模擬時間較短，風速變化較快，所以本文選用最佳葉尖速比控制策略，根據風速設定情況和風力機最佳葉尖速比特性得到最佳轉速，使PMSG運行于最佳轉速，從而實現MPPT.

本文考慮實驗室環(huán)境下的研究條件，設計了一套永磁同步風力發(fā)電模擬系統，包含風力機、PMSG硬件電路和控制軟件的設計，利用所搭建的模擬系統完成了實驗研究，對提出的控制策略進行了驗證.

1 永磁同步風力發(fā)電系統數學模型

永磁同步風力發(fā)電系統由風力機、永磁同步發(fā)電機、機側變流器(Machine-Side Converter，MSC)、網側變流器(Grid-Side Converter，GSC)和控制部分組成.系統結構如圖1所示.

圖1 永磁同步風力發(fā)電系統結構示意

1.1 風力機數學模型

風力機功率、轉矩方程如下:［9-10］

式中:P——風力機輸出機械功率;

T——風力機輸出機械轉矩;

ρ——空氣密度，一般取 1.25 kg/m3;

cp——風能利用系數;

R——葉輪的半徑;

A——葉輪的掃掠面積;

cT——轉矩系數;

v——風速.

其中，cp是風力機效率的重要參數，表示風力機的機械輸出功率與風力機的輸入功率的比值.風力機另一個重要參數為葉尖速比λ:

式中:λ——葉尖轉速比;

R——葉輪的半徑;

ω——風輪旋轉的角速度;

n——風機的轉速.

cp與葉尖速比和槳距角呈非線性關系，在固定風速下，存在一個最優(yōu)葉尖速比λopt，使得cp獲得最大值cpmax，風力機輸出機械功率最大.不同風速對應不同的最大輸出功率，設定風速后，可以根據最佳葉尖速比得到最佳轉速，以控制永磁同步發(fā)電機工作于此轉速，同時控制風力機輸出對應的最大輸出功率，實現功率追蹤.

1.2 PMSG 數學模型

按照發(fā)電機慣例，三相永磁同步發(fā)電機dq坐標系下的數學模型如下.

定子電壓方程:

定子磁鏈方程:

由式(3)和式(4)可以推導出:

式中:Usd，Usq——定子電壓d軸和q軸分量;

isd，isq——定子電流 d軸和q軸分量;

ψsd，ψsq——定子磁鏈 d 軸和 q 軸分量;

ψ0——轉子磁鏈;

rs——定子繞組等效內阻;

Ld，Lq——定子繞組電感d軸和q軸分量;

ωe——轉子電角速度.

電磁轉矩方程:

式中:Te——PMSG電磁轉矩;

p——極對數;

ψf——永磁體磁鏈;

Lls——定子繞組漏電感;

Ldm——d軸勵磁電感;

Lqm——q軸勵磁電感.

正常工作情況下，PMSG的d軸與q軸電感差距很小，［3］式(6)可簡化為:

2 變流器控制策略

永磁同步風力發(fā)電系統的控制主要集中在風力機、機側變流器和網側變流器等方面，風力機的槳距角控制主要在超過額定風速時調節(jié)槳距角，從而減小風能捕獲系數，降低風力機輸出機械功率，保證發(fā)電機工作在額定功率狀態(tài).［9］機側變流器主要控制發(fā)電機，實現有功功率調節(jié)和最佳風能跟蹤，網側變流器控制主要實現直流側電壓和網側無功功率輸出的控制.

2.1 機側變流器控制

機側變流器以控制發(fā)電機輸出有功功率為目標，采用轉速外環(huán)、快速電流內環(huán)的雙閉環(huán)矢量控制策略，控制結構如圖2所示.

圖2 機側變流器控制結構

采用轉子磁鏈定向控制，d軸定向于轉子磁鏈方向，q軸滯后d軸90°，PMSG定子電壓方程見式(5)，采用id=0控制方式.

通過控制q軸電流分量isq，可以間接控制發(fā)電機轉速.由風力機空氣動力學特性可知，當風速固定時，保證轉速為最優(yōu)轉速ωopt，風力機可以輸出最大功率;通過控制發(fā)電機轉速，最終可以實現發(fā)電系統的最佳風能跟蹤控制.

2.2 網側變流器控制

為將發(fā)電機捕獲的最大風能饋入電網，需對網測變流器進行控制，確保直流側電壓穩(wěn)定和網測有功、無功解耦.本文采用電網電壓定向控制，選d軸定向于電網側電壓空間矢量方向，q軸沿電壓旋轉方向超前90°，建立同步旋轉坐標系.采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)為直流電壓環(huán)，內環(huán)為電流環(huán)，實現直流電壓控制.為提高發(fā)電機效率，采用單位功率因數控制，輸出無功功率為零.網側變流器控制結構如圖3所示.

圖3 網側變流器控制結構

3 PMSG發(fā)電系統實驗研究

3.1 PMSG發(fā)電系統實驗平臺

PMSG發(fā)電系統實驗平臺主要包含硬件主電路和控制系統兩部分.硬件主電路為直流電動機拖動PMSG發(fā)電，經由機側和網側變流器并網;控制系統包括直流電動機控制子系統和永磁發(fā)電機控制子系統，分別控制直流電動機和變流器.其中，由西門子調速器控制的直流電動機用來模擬風力機;永磁發(fā)電機組變頻器為背靠背雙PWM型變流器，采用DSP控制器控制并網.

3.2 PMSG硬件電路設計

3.2.1 主電路

系統額定容量為7.5 kW，主電路如圖4所示，主要包括直流電動機、PMSG發(fā)電機、背靠背變流器組、直流環(huán)節(jié)、并網濾波電感以及軟啟動開關等模塊.其中，直流環(huán)節(jié)帶有過壓電阻泄放電路，電網電壓跌落時，直流環(huán)節(jié)能量通過電阻泄放，防止電容電壓過高;發(fā)電系統并網采用軟啟動電路模式并網，以減小并網沖擊.

圖4 PMSG發(fā)電系統主電路結構

直流電動機額定容量為15 kW，PMSG額定容量為7.5 kW，IGBT模塊最高耐壓為1 200 V，最大電流為50 A;直流側電壓為650 V，電容采用6個1.0 μF/1 200 V電容并聯，連接濾波電感為0.96 mH.

3.2.2 控制系統硬件電路

控制單元采用具有150 MHz浮點運算能力的DSP——TMS320F28335和FPGA結合的多處理器新型控制單元，主要包括DSP控制器、電壓電流檢測電路、IGBT驅動隔離電路以及繼電器控制電路等.

3.3 PMSG控制軟件設計

主程序和中斷程序流程圖如圖5和圖6所示.

主程序主要完成系統初始化、外設中斷初始化、變量和常量定義和初始化、控制并網開關閉合、檢測直流側電壓、使能變流器、使能中斷及響應中斷等.中斷程序完成實時性較高和復雜度較高的控制算法.本設計的中斷主要完成電壓電流信號的采樣、數據計算、電機側與網側電壓電流的dq變換、機側與網側電流比例-積分控制、功率比例-積分控制，最后執(zhí)行正弦脈寬調制生成PWM信號分別控制機側和網側變流器.

圖5 PMSG發(fā)電系統主程序流程

3.4 實驗結果及分析

給定風速3～12 m/s，風速每20 s變換一次，每次遞加1 m/s，上位機根據風速、風力機參數計算出最大功率處的最佳轉速，分別控制直流電動機和PMSG.

圖6 PMSG發(fā)電系統中斷程序流程

實驗系統各部分參數見表1.

表1 實驗系統具體參數統計

風速恒定條件下，發(fā)電系統可以穩(wěn)定工作，并網電壓和電流波形分別如圖7和圖8所示，電流頻率為50 Hz左右，符合并網要求.由實驗波形可以看出，并網電壓和電流波形正弦形較好，諧波畸變較小，驗證了所采用控制策略的有效性.

圖7 并網電壓波形

風速變化條件下，采用階梯型風速模型，在實驗室條件下驗證風速變化對并網電流及功率的影響，根據風速波動瞬間功率的變化情況，檢驗了系統控制的有效性.風速設定信號如圖9a所示，圖9b為對應的功率趨勢曲線.由圖9可以看出，系統很好地實現了最佳風能追蹤，并且風速變化時，功率波動較小，實驗結果驗證了系統具有良好的動態(tài)性能.

圖8 并網電流波形

圖9 發(fā)電系統并網實驗結果

4 結論

(1)本文提出的最佳轉速給定的最佳風能跟蹤控制，以轉速為中間信號，針對風速條件確定情況，給定最優(yōu)轉速，從而實現了最佳風能跟蹤的控制策略，較適用于實驗室條件下的風力發(fā)電研究.(2)機側變流器采用d軸和q軸解耦控制，

通過轉速環(huán)實現最佳風能跟蹤控制，控制方法原理簡單、易于實現，實驗結果驗證了該方法在實驗室條件下的良好控制效果.

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