，，，

（1.艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，湖北武漢 430033；2.西安交通大學電氣工程學院，陜西西安 710049）

直驅(qū)式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)采用風輪機與永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接相連的方式，利用全容量變頻器實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，更易于實現(xiàn)低電壓穿越技術，對電網(wǎng)波動的適應性更好，功率控制也更靈活。同時，由于直驅(qū)永磁發(fā)電系統(tǒng)省去了電刷、滑環(huán)和齒輪箱等部件，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡化，提高了發(fā)電效率和運行可靠性，在今后的大型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中將有廣闊的研究應用空間［1-3］。

風能的不確定性以及風輪機自身特性會使風力發(fā)電機輸出功率隨風速變化而波動，同時，這也會給風力機轉(zhuǎn)速的測量帶來很大的困難。為提高風能的利用效率，需使風力機任意風速下運行在最佳轉(zhuǎn)速，從而吸收最大的風能。文獻［4］提出一種通過直接檢測風速，依據(jù)風力機特性曲線實時計算出發(fā)電機轉(zhuǎn)速，采用速度閉環(huán)控制的方案。但該方案需要增加高精度的風速檢測設備，可這會附帶著系統(tǒng)的可靠性的降低；另外，由于風力機周圍氣流受葉片擾動較大，風機葉片上各點風速都不相同，因此難以準確測量當前有效風速。文獻［5］提出了一種基于功率給定的最大風能捕獲跟蹤策略，該策略通過對發(fā)電機定子磁場定向矢量的解耦控制，控制發(fā)電機的有功功率和無功功率來實現(xiàn)對風力機的輸出功率控制。文獻［6］通過控制發(fā)電機從傳動軸上吸收的機械轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速符合最佳轉(zhuǎn)矩曲線，來實現(xiàn)最大風能捕獲。文獻［7］提出以定子端有功功率為控制量，通過功率閉環(huán)控制，引入前饋解耦控制，利用功率平衡關系得到最大風能點的最大風能捕獲跟蹤策略。但是，在傳統(tǒng)的基于功率反饋的最大風能捕獲控制策略中，一般采用磁場的定向矢量控制發(fā)電機輸出功率進行調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，這就必須保證風力機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置檢測的精確性。通常，實現(xiàn)的方法是在電機軸上安裝光電編碼器等傳感器測量轉(zhuǎn)子位置和風力機的轉(zhuǎn)速，但隨之會帶來測量精度、環(huán)境適應性不強、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量增大以及不能保證光電編碼器的零刻度與轉(zhuǎn)子磁極初始位置一致等系列問題。

本文分析了風力機自身的運行特性，建立永磁同步發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型，在變流器的控制策略上，引入前饋解耦控制和軟件鎖相環(huán)，無需測量裝置就可得到風力機轉(zhuǎn)速，根據(jù)發(fā)電機當前轉(zhuǎn)速變化的情況實時計算最佳功率。通過控制直驅(qū)永磁風力發(fā)電機的電磁功率來間接控制風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速以追蹤風力機最佳功率曲線，無需檢測風速實現(xiàn)對最大風能的捕獲以及風力發(fā)電系統(tǒng)的單位功率因數(shù)控制。最后，建立基于雙PWM變換器的直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電實驗系統(tǒng)，通過模擬仿真，驗證了所采取策略的有效性。

1 基于功率反饋的最大風能捕獲原理

1.1 風力機運行特性

風力機從葉片掃過的面積中析取風能為

式中：ρ為空氣密度；ρ=1.225 kg/m3；Rw為風輪的半徑；vw為上風向自由風速；CP為風力機的功率析取系數(shù)。

CP的值與槳距角和葉尖速比有關，其數(shù)學表達式為

式中：β為槳距角；λ為葉尖速比，λ=Rwωw/vw；ωw為風力機風輪的轉(zhuǎn)速。

某一風速下，當槳距角β保持恒定時，為使風力機析取的機械功率達到最大，需要調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速ωw使CP達到最大值CPmax，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤控制，這時所對應的葉尖速度比λ是唯一的，設為λopt，則風力機析取風能的最大值為

式中：kopt為使得風力機析取風能達到最大值的系數(shù)，其數(shù)值表達式為

風力機的功率—轉(zhuǎn)速特性曲線如圖1所示。

圖1 風力機功率—轉(zhuǎn)速特性曲線Fig.1 Wind turbine power-speed characteristic curves

1.2 功率反饋控制原理

實現(xiàn)最大風能跟蹤的要求是在風速變化時及時調(diào)整風力機的轉(zhuǎn)速，使其始終保持最佳葉尖速，從而保證系統(tǒng)運行于最佳功率曲線上［8］。對風機轉(zhuǎn)速的控制可通過風力機變槳調(diào)節(jié)，也可通過控制發(fā)電機輸出功率進行調(diào)節(jié)。由于風力機變槳調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，調(diào)速精度較低，本文通過變流器控制發(fā)電機輸出電磁功率來調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

圖2所示為基于功率反饋的風電系統(tǒng)最大風能跟蹤控制。通過鎖相環(huán)可以得到風力機的轉(zhuǎn)速，根據(jù)風力機的最大功率曲線，計算出與該轉(zhuǎn)速所對應的風力機的最大輸出電磁功率，將它作為風力機的輸出功率給定值P*e，并與發(fā)電機輸出功率的觀測值Pe相比較得到誤差量，經(jīng)過調(diào)節(jié)器對風力機進行控制，以實現(xiàn)對最大風能捕獲。

圖2 功率反饋跟蹤控制示意圖Fig.2 Power feedback tracking control diagram

1.3 鎖相環(huán)原理

由于直驅(qū)式永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子與風力機經(jīng)過傳動軸直接相連，發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與風力機轉(zhuǎn)速相等，所以，發(fā)電機的電磁功率可表示為

由式（4）可知，發(fā)電機實際輸出的電磁功率與其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關。為此，采用了軟件鎖相環(huán)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進行測量。軟件鎖相環(huán)是一種自適應閉環(huán)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r跟蹤三相對稱電源的頻率與相位［9］。通過鎖相環(huán)無需測量工具就可以得到發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。軟件鎖相環(huán)原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 SPLL原理結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 SPLL schematic block diagram

圖3中，發(fā)電機輸入機側(cè)變流器的三相電壓經(jīng)坐標變換后得到Uq。取參考值=0，與Uq比較后的差值，經(jīng)過PI控制器和濾波器濾波，得到發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，即無需通過光電編碼器等測量工具就可以獲得風力機的轉(zhuǎn)速ωw，再經(jīng)過積分環(huán)節(jié)，可以得到發(fā)電機的轉(zhuǎn)子位置θ。

2 永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型

本文采用永磁風力發(fā)電系統(tǒng)模型由永磁同步發(fā)電機、機側(cè)變流器、直流母線電容以及網(wǎng)側(cè)變流器組成。發(fā)電機產(chǎn)生的電能，通過變流器的整流、逆變后，經(jīng)過變壓器，最后流入電網(wǎng)。

2.1 永磁同步發(fā)電機模型

以永磁體轉(zhuǎn)子極中心線為d軸，沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前90°（電角度）為q軸，dq坐標系隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。定子基于發(fā)電機慣例來規(guī)定各個物理量的正方向，建立dq0坐標系下PMSG數(shù)學模型為

式中：p為微分算子；ud，uq，id，iq分別為永磁同步發(fā)電機的d，q軸電壓，d，q軸電流；Ld，Lq分別為PMSG的d，q軸電感；R為PMSG定子電阻；p0為PMSG的極對數(shù)；Ψ為轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈最大值；Jeq，DWT分別為發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼系數(shù)；Tw，Te分別為PMSG的風力轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩；ω為PMSG的電角速度。

2.2 機側(cè)變流器

式中：s1d,s1q分別為dq坐標系下的機側(cè)變流器開關量；iL為直流側(cè)負載電流；ud,uq分別為發(fā)電機端口電動勢的d，q軸分量；id,iq分別為交流電流的d，q軸分量；v1d,v1q分別為機側(cè)變流器輸入三相電壓矢量的d，q分量。

機側(cè)變流器的d軸變量和q軸變量間存在耦合，給控制器的設計帶來困難，為此采用前饋解耦控制策略：

式中：s為拉普拉斯微分算子；kiP，kiI分別為PI控制器的比例、積分系數(shù)。

聯(lián)立式（6）和式（7）可得：

這樣，通過前饋算法實現(xiàn)了對電流的解耦控制。

鎖相后u1q=0，相應的i1d為有功電流，i1q為無功電流。iq的參考值i*q取為0，實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流。id的參考值i*d由永磁同步發(fā)電機實際電磁功率與MPPT算法得到參考電磁功率比較后的差值，經(jīng)過PI控制器運算后給出。機側(cè)變流器控制策略如圖4所示。

我國區(qū)域的廣闊性，造就了農(nóng)村文化的多樣性，主要表現(xiàn)在音樂、舞蹈、戲曲、詩歌、傳說、信仰等方面，音樂舞蹈有北方的秧歌、南方的花燈，戲曲有北方的河北梆子、秦腔和南方的粵劇、越劇、紹劇、黃梅戲、豫劇等，還有曲藝、說唱、相聲、滑稽戲等，云貴地區(qū)的儺戲，歷史久遠，已成為重要的信仰民俗。家庭聯(lián)產(chǎn)承包責任制實行以后，一味的追求商品生產(chǎn)，暴露了文化引導力度的不足，許多豐富的音樂、舞蹈、傳說、信仰等文化形式難以為繼。直至社會主義新農(nóng)村建設的目標提出以后，這種狀況才有所轉(zhuǎn)變。

圖4 機側(cè)變流器控制策略Fig.4 The machine-side converter control strategy

2.3 網(wǎng)側(cè)變流器

網(wǎng)側(cè)變流器承擔著維持直流母線電壓基本恒定，將風力機發(fā)出的功率傳送到電網(wǎng)側(cè)的任務，其運行性能直接決定了送向電網(wǎng)的電能質(zhì)量，也決定了整個風力發(fā)電系統(tǒng)的運行性能。其拓撲結(jié)構(gòu)與機側(cè)相似，采用電壓矢量定向原理，可得到網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學模型為

式中：s2d,s2q分別為dq坐標系下的網(wǎng)側(cè)變流器開關量；iL為直流側(cè)負載電流分別為電網(wǎng)側(cè)三相交流電動勢的d，q軸分量分別為交流電流的d，q軸分量；v2d,v2q分別為網(wǎng)側(cè)變流器輸入三相電壓矢量的d，q軸分量。

同樣，網(wǎng)側(cè)變流器的d軸變量和q軸變量間存在耦合，需要采取前饋解耦控制策略：

聯(lián)立式（9）和式（10）可得解耦控制方程為

其中

對其控制思路與機側(cè)變流器相似，區(qū)別在于原來機側(cè)變流器的功率外環(huán)控制改為電壓外環(huán)控制，控制策略如圖5所示。采用鎖相環(huán)對q軸分量進行鎖相，鎖相后=0，相應的為有功電流為無功電流。的參考值取為0，實現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變。的參考值由直流電容參考電壓與當前直流母線電壓Udc比較后的差值，經(jīng)過PI控制器運算后給出。

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略Fig.5 Network side converter control policy

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 系統(tǒng)仿真參數(shù)及設置過程

為驗證本文采用控制方案的可行性，采用Matlab/Simulink軟件進行了系統(tǒng)仿真。仿真參數(shù)如下。

風力機參數(shù)為：風輪半徑Rw取42 m，風力機等效轉(zhuǎn)動慣量6.25×106kg?m2，轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)DWT取為0。槳距角β=2°，當風速達到vw=11.38 m/s，功率析取系數(shù)達到最大值CPmax=0.402時，風力機的輸出功率達到額定功率2 MW。

PMSG參數(shù)為：永磁磁鏈Ψ=10.23 Wb，等效轉(zhuǎn)動慣量8 000 kg·m2，直軸電感Ld=1.3 mH ，交軸電感Lq=2.3 mH（插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Ld＜Lq），發(fā)電機定子等效電阻R=0.013 3 Ω，電機磁極對數(shù)p0=30。

變流系統(tǒng)參數(shù)為：濾波電感L=250 μH，濾波電感寄生電阻Rr=0.12 mΩ，直流母線電壓Udc=1 100 V，直流電容C=28.8 mF。

自然風由慢速變化分量和快速變化分量［10］組成，其中基本風表示慢速變化分量，陣風和噪聲風速組成快速變化分量，陣風是快速變化分量的主要組成部分。整個仿真過程設置時長為70 s，模擬自然風速變化如圖6所示，風速的變化共分為4個階段：t=0 s時，初始風速從0 m/s階躍至8.5 m/s；0～25 s期間，保持基本風速為8.5 m/s，運行風電系統(tǒng)到穩(wěn)定狀態(tài)；當t=25 s時，加入噪聲風；在t=45 s時，基本風速由8.5 m/s階躍至10.35 m/s。

圖6 風速變化曲線Fig.6 Change of wind speed curve

3.2 仿真實驗結(jié)果

圖7為風力機葉尖速比在變風速下的情況；圖8為風力機功率析取系數(shù)變化曲線?？梢钥闯?，在t=25 s時，風速從8.5 m/s驟升至10.35 m/s，功率析取系數(shù)CP有一個短暫小跌落后，能夠較快地恢復到最大值0.402附近并保持穩(wěn)定。同樣風力機葉尖速比短暫跌落后能較快恢復并保持在最佳葉尖速比λ=7.32附近，風力機模型能夠很好地響應風速快速的變化，最大功率跟蹤效果良好。

圖7 風力機葉尖速比Fig.7 Tip speed ratio of the wind turbine

圖8 風力機功率析取系數(shù)Fig.8 Wind turbine power coefficientofdisjunctive

圖9為風力機實際轉(zhuǎn)速；圖10為鎖相環(huán)估計轉(zhuǎn)速；圖11為轉(zhuǎn)速的誤差。由圖9～圖11看出，通過鎖相環(huán)跟蹤風力轉(zhuǎn)速效果良好，轉(zhuǎn)速估計誤差限制在0.2 rad/s以內(nèi)。

圖9 風力機實際轉(zhuǎn)速Fig.9 The actual speed of the wind turbine

圖10 估計轉(zhuǎn)速Fig.10 Estimated speed

圖12為直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機輸出的電磁功率變化曲線，對比圖9所示風力機的轉(zhuǎn)速變化曲線，可以看出，通過機側(cè)變流器的功率反饋控制，控制電磁轉(zhuǎn)矩Te，使得風機轉(zhuǎn)速ωw追蹤風速變化，永磁同步發(fā)電機輸出的電磁功率隨著風力機轉(zhuǎn)速ωw的上升而增加，很好地響應了風力機轉(zhuǎn)速的變化。

圖11 轉(zhuǎn)速誤差Fig.11 Speed error

圖12 永磁發(fā)電機電磁功率曲線Fig.12 Electromagnetic power curve of PMSG

圖13為網(wǎng)側(cè)變流器單相電壓和單相電流。由圖13可知，在風速變化的情況下，發(fā)電系統(tǒng)連接電網(wǎng)側(cè)的相電壓和相電流始終保持反相位，網(wǎng)側(cè)變流器鎖相環(huán)鎖相效果良好，實現(xiàn)了風電系統(tǒng)的單位功率因數(shù)控制。圖14為直流側(cè)電壓，可以看出網(wǎng)側(cè)變流器很好地穩(wěn)定了直流母線電壓，波動很小。

圖13 網(wǎng)側(cè)變流器輸出單相電壓和單相電流Fig.13 Single-phase voltage and single-phase current output in network-side converter

圖14 直流側(cè)電壓Fig.14 DC voltage

4 結(jié)論

本文通過分析風力機特性，基于功率反饋控制原理，建立了雙PWM變換器的直驅(qū)式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型，通過變流器的有效控制，無需測量風速和風力機轉(zhuǎn)速就可實現(xiàn)永磁同步發(fā)電機的單位功率因數(shù)控制和風能的最大功率跟蹤。同時，很好地滿足了變速恒頻的要求，可為直驅(qū)式永磁發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)保持供電穩(wěn)定提供控制技術手段，具有較好的效果和更好的實用價值。

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