鄧文浪，袁 婷，胡畢華，蔣衛(wèi)龍，陳勇奇

(湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南湘潭411105)

TSMC直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)MPPT優(yōu)化控制

鄧文浪，袁 婷，胡畢華，蔣衛(wèi)龍，陳勇奇

(湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南湘潭411105)

以基于雙級矩陣變換器 (TSMC)的永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，闡述了最大風(fēng)能追蹤的原理，分析了TSMC直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率集成控制，提出了一種利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量功率實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的控制算法。在傳統(tǒng)功率控制算法中加入一個比例控制器，加快了系統(tǒng)捕獲風(fēng)能的速度。在Matlab中搭建了TSMC風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果表明：新MPPT算法在風(fēng)速突變時，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；在風(fēng)速不變時，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，使系統(tǒng)能快速且準(zhǔn)確地捕獲風(fēng)能。

TSMC；MPPT；直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；永磁同步發(fā)電機

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力系統(tǒng)因其無需增速齒輪箱、維護量小、運行效率高、對電網(wǎng)沖擊小的優(yōu)點引起了廣泛關(guān)注。雙級矩陣變換器(TSMC)因其控制自由度大、輸入功率因數(shù)可調(diào)、功率可雙向傳輸?shù)忍攸c，已成為國內(nèi)外電力電子和風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點[1]。使風(fēng)力發(fā)電機保持運行在最佳葉尖速比上，從而捕獲最大的風(fēng)能[2-10]。目前最大風(fēng)能跟蹤的方法有：葉尖速比法[3，5]，功率信號反饋法[3，5]，爬山法[2，5]。爬山法用于轉(zhuǎn)動慣量較小、風(fēng)力機參數(shù)不明確的小型機組。對于轉(zhuǎn)動慣量較大、已知風(fēng)力機參數(shù)的大中型機組，可以采用功率反饋控制的最大風(fēng)能跟蹤方法。

本文從風(fēng)力機的特性出發(fā)，針對直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和TSMC直流側(cè)無儲能裝置的特點，提出了一種利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量功率實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的算法，通過對逆變側(cè)有功功率的分級控制實現(xiàn)系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲。在功率控制中加入一個比例控制器，系統(tǒng)經(jīng)過反饋控制后，實際輸出功率能更好地跟蹤逆變級給定功率，實現(xiàn)最大功率輸出。通過對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變級輸出有功無功功率的控制，使系統(tǒng)能更快速、更準(zhǔn)確地捕獲風(fēng)能。

1 最大風(fēng)能追蹤原理

為了簡化分析，本文假設(shè)傳統(tǒng)系統(tǒng)為剛性系統(tǒng)并忽略摩擦，則永磁同步發(fā)電機的傳動鏈方程為：

2 新型MPPT控制策略

輸出轉(zhuǎn)矩可表示為：

由式(10)的傳遞函數(shù)可知，系統(tǒng)的輸出性能與風(fēng)力機參數(shù)、等效轉(zhuǎn)動慣量等有關(guān)。為提高MPPT算法的動態(tài)響應(yīng)，風(fēng)力機轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機轉(zhuǎn)矩的差值需要增大，使系統(tǒng)能加速運行。此外，MPPT算法在穩(wěn)定狀態(tài)時應(yīng)保持最大風(fēng)能利用率。

當(dāng)機組穩(wěn)態(tài)運行時，比例控制器支路輸出為0，新MPPT算法和傳統(tǒng)算法穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)相同，可以實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。在風(fēng)速突變時，作用在風(fēng)力機組傳動鏈上的功率差將增大，從而使風(fēng)力機組動態(tài)運行加速增大，加速了機組最大功率跟蹤速度。

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

TSMC直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的最大功率控制策略如圖1所示。整流級采用開環(huán)控制；逆變級采用基于同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系的雙閉環(huán)控制。其中，外環(huán)是功率控制環(huán)，發(fā)電機的參考功率由最大風(fēng)能跟蹤算法給出；根據(jù)電網(wǎng)所需要的無功功率來進行給定，選取無功功率為0；內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)，是交叉耦合電壓補償項，ω0為電網(wǎng)的角頻率，可以實現(xiàn)對d、q軸電流的解耦控制，交叉耦合電壓補償項加上電流調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓和，就可以得到d、q軸上的控制電壓分量，經(jīng)過模塊計算和坐標(biāo)變換形成逆變級驅(qū)動信號。逆變級的閉環(huán)控制可以實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤和輸出有功、無功功率的解耦控制。

圖1 基于TSMC的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制框圖

4 仿真實驗及結(jié)果分析

本文在Matlab/Simulink軟件中搭建了一臺25 kW的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。仿真參數(shù)：(1)空氣密度ρ= 1.225 kg/m3，風(fēng)力機槳距角β=0°，槳葉半徑=4 m，最佳葉尖速比，額定風(fēng)速為12 m/s；(2)電網(wǎng)電壓=200 V，= 60 Hz，電阻=0.01 Ω，TSMC輸出濾波電感=1 mH，輸出濾波電容=0.01 mF；(3)永磁同步發(fā)電機額定電壓為=690 V，定子相電阻=0.29 Ω，轉(zhuǎn)動慣量為=5 kg3m2，極對數(shù)為=6，交軸電感=3.5 mH。圖2為風(fēng)速變化波形圖，風(fēng)速分別在0.1、0.2 s處從12 m/s突變至11 m/s、11 m/s突變至12 m/s。

圖2 風(fēng)速變化波形

圖3 給定功率和逆變級、發(fā)電機輸出有功功率

圖3為逆變級有功功率給定和逆變級、發(fā)電機輸出的有功功率。當(dāng)風(fēng)速變化時，逆變級輸出有功功率能夠根據(jù)最大風(fēng)能跟蹤算法及時調(diào)整，實時跟蹤逆變級有功功率給定。由于TSMC中間沒有儲能裝置，發(fā)電機側(cè)(即TSMC輸入側(cè))輸出功率與逆變級的輸出功率輸出變化相同。

圖4為風(fēng)速突變時a相電壓電流，網(wǎng)側(cè)d、q軸電流。a相電壓和電流的相位角為0°，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制，輸出電流諧波少、正弦性好。風(fēng)速變化時，網(wǎng)側(cè)有功電流迅速變化，具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能。網(wǎng)側(cè)電壓和電流的頻率保持不變，實現(xiàn)了變速恒頻運行。

圖4 風(fēng)速變化下網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形

圖5是新型MPPT算法與傳統(tǒng)功率控制算法的波形對比，新型MPPT算法使逆變級輸出功率能更快地達到最佳值，表明系統(tǒng)能有效捕獲最大風(fēng)能。

圖5 新型MPPT算法與傳統(tǒng)功率控制算法的比較

5 結(jié)語

本文提出了一種基于TSMC的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能追蹤算法。該算法采用加入比例控制器的功率控制算法，給出逆變級的有功功率給定值，實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)的有功、無功解耦控制。實驗結(jié)果表明，新型MPPT算法在風(fēng)速突變時，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；在風(fēng)速不變時，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，具有良好的動靜態(tài)控制性能，可實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。

[1]鄧文浪，楊欣榮，朱建林，等.18開關(guān)雙級矩陣變換器的空間矢量調(diào)制策略及其仿真研究[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25(15)：94-90.

[2]鄧文浪，謝敏，段斌.TSMC直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(5)：73-79.

[3]KIM K H，VAN T L，LEE D C.Maximum output power tracking control in variable speed wind turbine systems considering rotor inertial power[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，60(8):3207-3217.

[4]張小蓮，李群，殷明慧，等.一種引入停止機制的改進爬山算法[J].中國電機工程學(xué)報，2012，32(14)：129-134.

[5]黃守道，盧季寧.新型爬山算法在大慣性風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].控制工程，2010，17(2)：229-231.

[6]吳政球，干磊.風(fēng)力發(fā)電最大風(fēng)能跟蹤綜述[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2009，21(4)：93-99.

[7]KIM K H，LEE D C.Fast tracking control for maximum output power in wind turbine systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，12:1-5.

[8]趙梅花，楊勇.新型混合勵磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28(5)：30-36.

[9]鄧文浪，倪澤平.應(yīng)用雙級矩陣變換器的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)集成控制策略[J].太陽能學(xué)報，2012，33(4)：577-595.

[10]趙仁德，王永軍，張加勝.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制[J].中國電機工程學(xué)報，2009，29(27)：106-111.

Optimal control for maximum power point tracking in direct-driven wind power generation system based on two stage matrix converter

The control strategy of the permanent magnet synchronous wind power generation system based on two stage matrix converter(TSMC)was investigated.The power integration control of TSMC direct drive wind power system was explained.A new MPPT algorithm which takes advantage of rotor inertia power was proposed.A proportional controller was added into the traditional power control algorithm to improve the fast performance of the MPPT control.The simulation results show the new MPPT algorithm speeds up the dynamic response when the wind speed changes and maintains the stability when the wind speed keeps constant.

TSMC;MPPT;direct-drive wind power system;permanent magnet synchronous generator

TM 614

A

1002-087 X(2016)04-0830-03

2015-09-12

國家自然科學(xué)基金資助項目(50977080)

鄧文浪(1970—)，女，湖南省人，教授，主要研究方向為電力電子變換器及其控制技術(shù)，新能源發(fā)電控制技術(shù)。