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        直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制

        2017-08-29 08:17:49徐啟超王猛李淑賢蔡亞非
        科技視界 2017年11期
        關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī)

        徐啟超 王猛 李淑賢 蔡亞非

        【摘 要】本文提出了一種變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的控制策略(WECS),將最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法運(yùn)用到直驅(qū)永磁同步電機(jī)上(PMSG)。提出一種基于貝茨理論的葉尖速比控制方法在直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用,以便實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大跟蹤。其次介紹了風(fēng)力機(jī)以及永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,驗(yàn)證了運(yùn)用葉尖速比法的最大功率點(diǎn)跟蹤算法可以提高風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率。

        【關(guān)鍵詞】永磁同步電機(jī);最大風(fēng)能跟蹤原理;葉尖速比控制方法

        0 引言

        為了完全實(shí)現(xiàn)變速風(fēng)能功率發(fā)電系統(tǒng),發(fā)展先進(jìn)的控制方法在變化風(fēng)速下俘獲風(fēng)力機(jī)的最大功率輸出是很重要的。目前主要有葉尖速比法,功率信號(hào)反饋法和登山搜索法來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大跟蹤捕獲。其中,功率信號(hào)反饋法和登山搜索法需要對(duì)風(fēng)機(jī)的固有特性進(jìn)行測(cè)量,增加了系統(tǒng)的運(yùn)行成本和難度。本文采用的是最佳葉尖速比法來實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSG最大功率的跟蹤控制。

        1 PMSG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        圖1 PMSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        PMSG使用了背靠背形式的雙極性PWM變流器并以此當(dāng)做變流系統(tǒng)的核心,它的結(jié)構(gòu)示意圖如上所示,系統(tǒng)的主要內(nèi)容有傳動(dòng)主軸與風(fēng)力發(fā)電機(jī)、雙極性PWM變流器、PMSG和其所在的控制系統(tǒng)等,變流系統(tǒng)最主要的部分是雙極性的PWM變流器,它的主要構(gòu)成部分是處于發(fā)電機(jī)一側(cè)的變流器、電網(wǎng)側(cè)的逆變器和處于直流母線側(cè)的電容。

        2 最大風(fēng)能捕獲原理

        風(fēng)力機(jī)所吸收的功率可以通過貝茨理論表示為P=0.5CpρSV3其中:Cp—風(fēng)能利用系數(shù);β—空氣密度(Kg/m2);v—風(fēng)流動(dòng)速度(m/s);S—槳葉旋轉(zhuǎn)面積(m2)。

        葉尖速比λ、槳葉節(jié)距角β這兩個(gè)因素與風(fēng)能的利用程度有著非常重要的關(guān)系。在λ=ωmR/V,R—風(fēng)力機(jī)槳葉的掃掠半徑(m),ωm—風(fēng)力機(jī)機(jī)輪的機(jī)械角速度(rad/s)。當(dāng)β的數(shù)值被確定的時(shí)候,影響Cp的數(shù)值的因素只有葉尖速比。對(duì)于某些比較特別的風(fēng)力機(jī)而言,若β值已知情況下,若使風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)(CPmax)最大,僅有一個(gè)最完美恰當(dāng)?shù)娜~速比λopt值與之符合,更重要的是所對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換程度也達(dá)到最高。

        3 PMSG在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

        PMSG定子線圈三相繞組用A、B、C來表示,實(shí)驗(yàn)假設(shè)定子電壓以及定子電流的方向?yàn)檎瑢?duì)于裝式PMSG三相靜止坐標(biāo)系下的模型,若以A相繞組軸線所代表的方向是正方向,B相繞組滯后于A相120°,C相繞組超前A相繞組120°,轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)最大值用Ψf表示,磁場(chǎng)在空間按正弦規(guī)律分布,磁場(chǎng)最大值與A相繞組的軸線夾角為θ。

        定子三相繞組的電壓方程為:

        u■u■u■=R■i■i■i■+■■■

        式中,uA、uB、uC—三相定子電壓瞬時(shí)值(V);iA、iB、iC—三相定子電流瞬時(shí)值(A);ΨA、ΨB、ΨC—三相定子繞組磁鏈瞬時(shí)值(Wb);RS—定子電阻(Ω)。

        由上式可以看出,永磁發(fā)電機(jī)的電壓方程是非線性方程,方程中的變量是隨永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子的夾角和轉(zhuǎn)速變化而改變的,如果對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的夾角進(jìn)行測(cè)量相對(duì)困難,目前采用較多的方法是對(duì)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型變換,獲得相對(duì)簡(jiǎn)單的等效數(shù)學(xué)模型,因此,對(duì)發(fā)電機(jī)的控制就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。

        4 最佳葉尖速比控制方法原理

        PMSG指的是把風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)不經(jīng)過增速齒輪箱而直接相連的結(jié)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速ω和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωg相同,即ω=ωg,本文通過對(duì)PMSG最大功率跟蹤控制所采用的是葉尖速比法。其基本工作原理是在某一個(gè)特定風(fēng)速下,在最優(yōu)葉尖速比下獲得最大的風(fēng)機(jī)能量,為了對(duì)風(fēng)能資源的最大利用,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子速度會(huì)隨風(fēng)速做相應(yīng)的改變從而實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。

        依據(jù)上述的風(fēng)力機(jī)特性,根據(jù)公式λ=ωmR/V(R表示為風(fēng)力機(jī)葉片半徑),計(jì)算出在任意時(shí)刻風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速,并且通過安裝在風(fēng)力機(jī)上的速度觀察器獲得當(dāng)前風(fēng)力機(jī)的速度,所得到的反饋速度和最優(yōu)轉(zhuǎn)速比較,把比較結(jié)果送到控制器中,控制器的作用是根據(jù)輸入結(jié)果來控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大功率跟蹤。

        5 結(jié)語

        本文的主要內(nèi)容是對(duì)PMSG的工作原理及最大風(fēng)能捕獲方式進(jìn)行分析研究,對(duì)比三種風(fēng)能最大跟蹤控制所有的方法,提出了最佳葉尖速比控制方法來實(shí)現(xiàn)PMSG的最大風(fēng)能跟蹤控制。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]張課.基于葉尖速比控制的風(fēng)力發(fā)電的最大風(fēng)能捕獲分析[J].科技信息,2012(2):10.

        [2]劉其輝,賀益康,趙仁德.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤控制.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化,2003(10):62-67.

        [3]彭國(guó)平,李帥,魚振民.小型風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的研究.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,38(4):357-360.

        [責(zé)任編輯:朱麗娜]

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