馬強

摘要：日前，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的永磁發(fā)電機形式較多，多數(shù)系統(tǒng)以外轉(zhuǎn)子鏡像磁通和內(nèi)轉(zhuǎn)子鏡像磁通為主，未來永磁風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)會更加豐富，制造工藝逐步趨向模塊化，控制技術(shù)也更加智能化，最終實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的大型化和規(guī)模北，以解決"能源緊缺"的現(xiàn)實問題。

關(guān)鍵詞：永磁;風(fēng)力發(fā)電;功率

前言

風(fēng)力發(fā)電是我國近幾年重點研究的"課題"。風(fēng)力發(fā)電在實踐中休現(xiàn)出了以下2個方面的特征：（1）風(fēng)力發(fā)電要求風(fēng)能密度較高，要使風(fēng)力發(fā)電獲得大功率風(fēng)能，必須要有大直徑的風(fēng)力機，因此，一般兆瓦級的風(fēng)力機，槳葉長度達到數(shù)十米到百余米，但是直接影響了風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速;（2）風(fēng)能的不穩(wěn)定性和多變性較強，而發(fā)電則對電壓和頻率的穩(wěn)定性要求較高，所以，需要應(yīng)用變速恒頻控制技術(shù)。在輸出功率不變的基礎(chǔ)上，電機的轉(zhuǎn)速和電機的體積呈反比，為了減少成本，需要減小電機的休積，對此，業(yè)界通用的技術(shù)為多級增速技術(shù)，該技術(shù)雖然降低了發(fā)電成本，但是增加了電機維護工作量，針對該矛盾，需要應(yīng)用永破發(fā)電機優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

1不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特征

1.1高速雙饋感應(yīng)發(fā)電機

雙饋電機定子繞組的電壓會受到電網(wǎng)運作頻率的影響，所以，雙饋電機定子繞組的運行范圍受到了一定的限制，確定電網(wǎng)運作頻率后，可以確定雙饋電機定子繞組的極數(shù)。例如，某高速雙饋感應(yīng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為1750r/min（額定轉(zhuǎn)速），運行速度約150r/m肌需要采用四極電機，若電網(wǎng)的頻率為50Hz，那么電機的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，同時，考慮高速雙憤感應(yīng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組變流器功率特征，在電網(wǎng)運作頻率為50Hz的情況下，永磁電中幾所需的功率反而高于高速雙饋感應(yīng)發(fā)電機。同時，因為額定轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，在運作過程中，雙饋發(fā)電機的電流頻率相對較高，變流器供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波會增加電機在運作過程中的損耗，所以，應(yīng)用高速雙饋感應(yīng)發(fā)電機時，還應(yīng)考慮、轉(zhuǎn)子的散熱問題。

1.2高速永磁發(fā)電機

根據(jù)日前的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，若用永磁發(fā)電機替代傳統(tǒng)的雙饋感應(yīng)電機，則無需風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電刷和電環(huán)裝置，這就在一定程度上減少了電機中鐵、銅的泊在，提高了電機運作的可靠性和穩(wěn)定性，同時，提高了電機的運作效率。ABB公司的1.5MW高速永磁發(fā)電機和傳統(tǒng)的雙饋感應(yīng)電機相比，電機尺寸可縮小13%-20%。因為采用全功率變流器，發(fā)電機的輸出電壓工作模式發(fā)生了一定的變化，因此，功率和電機的轉(zhuǎn)速沒有直接關(guān)系，提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運作的穩(wěn)定性。若該系統(tǒng)采用永磁發(fā)電機，那么極數(shù)的選攆就不局限于4極，而是可根據(jù)實際情況選用4極、6極、8極，極數(shù)越多，發(fā)電機的尺寸越小，所使用的材料也越少。

1.3中速半直驅(qū)永磁發(fā)電機

中速半直驅(qū)永磁發(fā)電機在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用是一種相對折中的方案，相對來說，中速半直驅(qū)永磁發(fā)電機可有效提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的靈活性，變速箱的運作可靠性、發(fā)電機的性價比等因素得到了協(xié)調(diào)，技術(shù)人員能夠在確定增速箱傳統(tǒng)比的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進行合理的調(diào)整。相對困難的是，電機運作速度、額定轉(zhuǎn)速、速比和增速機構(gòu)的選操比較困難，中速半直驅(qū)永磁發(fā)電機多采用兩級增速結(jié)構(gòu)或者一級增速結(jié)構(gòu)，和芬蘭公司開發(fā)的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速相比，中速半直驅(qū)永磁發(fā)電機的使用更加靈活。

1.4低速直驅(qū)永磁發(fā)電機

（1）電機結(jié)構(gòu)的選取。永磁電動機的結(jié)構(gòu)豐富，磁通選抨為橫向、軸向、徑向，不同的結(jié)構(gòu)對電機的制造成本、性能有直接的影響。（2）電機槽數(shù)的選擇以及電機極數(shù)的選擇。因低速直驅(qū)永磁發(fā)電機的體積大，所以，電機的轉(zhuǎn)速和電機的輸出電壓沒有直接關(guān)系。（3）電磁負(fù)荷的選擇。低速直驅(qū)永磁發(fā)電機的磁通變化相對較小，而定子繞組的臣數(shù)卻相對較多，定子繞組的消耗較大，需要合理調(diào)整定子繞組。（4）冷卻方式的選擇。低速直驅(qū)永磁發(fā)電機休積大決定了其熱量大，需要采取強制風(fēng)冷才能夠保證電捫運作可靠性。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和建模

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文使用的D-PMSG的結(jié)構(gòu)，風(fēng)力機與電機轉(zhuǎn)子直接耦合，機側(cè)采用三相不可控二極管整流橋式電路加上BOOST升壓電路，網(wǎng)側(cè)采用了PWM逆變電路。首先三相不可控二極管整流橋?qū)l(fā)電機定子的輸出電流進行整流，然后利用DC/AC將電壓穩(wěn)定控制，最后利用網(wǎng)側(cè)的逆變器逆變后饋入電網(wǎng)。

2.2風(fēng)力機特性

風(fēng)力機是D-PMSG中不可或缺的裝置，其基本的工作原理是：利用風(fēng)輪葉片將風(fēng)能捕獲，并隨即將其轉(zhuǎn)化為機械能，然后以轉(zhuǎn)矩的形式輸入到發(fā)電機中。

3模糊控制器的設(shè)計

3.1輸入輸出量的模糊集合及論域

基于前面的分析可知，通過改變BOOST升壓電路的占空比D的值可以控制風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率，因此可以選擇BOOST電路的本周期和上個周期占空比的差值、本周期輸出功率的差值作為模糊控制的輸入信號量，并將其模糊化處理，然后經(jīng)過模糊規(guī)則庫進行邏輯推理后可以得出下個周期的所需改變占空比的大小和方向。

3.2模糊規(guī)則

根據(jù)本文中對D-PMSG的MPPT控制效果要求，當(dāng)系統(tǒng)輸出功率減小了，則應(yīng)該調(diào)整原來的擾動方向，如果系統(tǒng)輸出功率增加了，則應(yīng)該按照原來的步長來稍許繼續(xù)增加。當(dāng)距離系統(tǒng)MPP較遠(yuǎn)時，應(yīng)該使用較大的步長進行跟蹤，當(dāng)距離MPP較近時，則應(yīng)該使用較小的步長進行跟蹤。

4仿真結(jié)果及分析驗證

本文的仿真參數(shù)如下：空氣密度ρ=1.225kg/m3，風(fēng)輪半徑R=4m，風(fēng)電機的槳距角β=0o，PMSG參數(shù)為：定子相電阻Rs=0.05Ω，定子繞組電感L=3.95×10-4H，轉(zhuǎn)動慣量J=0.192kg·m2，極對數(shù)36，本文中風(fēng)電機組不計摩擦系數(shù)，輸入的階躍風(fēng)速為12m/s～15m/s，BOOST電路負(fù)載R=15Ω，設(shè)定仿真時間為2s。利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建D-PMSG系統(tǒng)MPPT的整體模型。通過上述仿真分析可以明顯看出，這三種方法都可以實現(xiàn)PMSG風(fēng)電系統(tǒng)的MPPT，但是固定步長算法由于步長的一成不變，所以在整個2s內(nèi)的追蹤過程和在1s時風(fēng)速由12m/s突變成15m/s時波動都非常明顯。變步長爬山算法因為會根據(jù)追蹤的情況來改變步長，所以在0.4s、1.4s和1s風(fēng)速變化時都一定程度上減小了波動，但是在追蹤到MPP之前負(fù)載端電壓和電機轉(zhuǎn)速還是存在波動?；谀：刂频腗PPT因為通過使用模糊推理得到的自適應(yīng)步長，與設(shè)定的變化步長相比，很明顯自適應(yīng)步長更具有優(yōu)勢，所以不但能和爬山法幾乎同時追蹤到MPP，且其電機轉(zhuǎn)速和負(fù)載端電壓的波動在0.4s、1s、1.4s相比于變步長爬山法都明顯變小。綜上所述，所得仿真結(jié)果證明了本文提出的基于模糊控制的MPPT的有效性，且相較于固定步長和變步長算法更有優(yōu)越性。

結(jié)束語

本文經(jīng)過對D-PMSG的原理和結(jié)構(gòu)的分析，闡述了基于BOOST電路達到MPPT的原理，提出了一種基于模糊控制的D-PMSG的MPPT控制策略，結(jié)合MPPT與模糊控制原理設(shè)計了D-PMSG的MPPT模糊控制器。搭建了Matlab/Simulink仿真模型，對比分析仿真結(jié)果驗證了所提控制策略的有效性和優(yōu)越性。

參考文獻：

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（作者單位：中廣核新能源投資（深圳）有限公司新疆分公司）