直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)控制策略的研究

摘要：以直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，選用背靠背雙PWM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)的控制策略進(jìn)行分析。在建立永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于isd=0的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)控制器，并對(duì)控制原理在Matlab／Si mulink上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制策略的正確性。
關(guān)鍵詞：直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電；PWM變流器；矢量控制；仿真分析

    永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與風(fēng)力機(jī)直接耦合，省去了齒輪箱，改善了機(jī)組的性能，提高了穩(wěn)定性。永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)不需要電勵(lì)磁，提高了機(jī)組的發(fā)電效率。本文以直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，選取背靠背雙PWM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。風(fēng)力機(jī)定槳距下，風(fēng)速不變時(shí)，輸出功率隨著轉(zhuǎn)速變化，要跟蹤最大輸功率Pmax必須根據(jù)風(fēng)速實(shí)時(shí)凋節(jié)轉(zhuǎn)速ω以保持葉尖速比為λopt。因此最大風(fēng)能捕獲過(guò)程可理解成是轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程，即轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)性能決定最大風(fēng)能捕獲的效果，因此本文在建立永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于isd=0的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，機(jī)側(cè)選取電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的解耦，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。最后，根據(jù)控制原理，在Matlab／Simul ink中搭建了永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證該控制策略的正確性，能達(dá)到預(yù)期的控制目1 永磁同步風(fēng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型機(jī)側(cè)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，為簡(jiǎn)化分析，作如下假設(shè)：永磁材料電導(dǎo)率為零，忽略漏感的影響，不考慮磁飽和的現(xiàn)象，定子各相電樞繞組電阻值、電感值相等，氣隙分布均勻，轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中正弦分布。由此得到其等效電路，根據(jù)等效電路通過(guò)坐標(biāo)變換得到PMSG在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。

2 機(jī)側(cè)的控制策略
    為滿足風(fēng)電系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)風(fēng)速變化實(shí)時(shí)調(diào)整，快速響應(yīng)，而對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)整也即是對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制，其控制策略有基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制及基于定子磁場(chǎng)定向直接轉(zhuǎn)矩控制，本文選取零d軸電流控制，即基于的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制，并在上一節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速外環(huán)的系統(tǒng)控制策略。其控制框圖如圖2所示。

    圖2中通過(guò)前饋補(bǔ)償?shù)姆椒?，加?omega;eLqisq和ωeLqisd+ωwψf，作為干擾前饋?lái)?xiàng)對(duì)耦合項(xiàng)ωeLqisq和ωeLdisd進(jìn)行補(bǔ)償。控制過(guò)程為，測(cè)量發(fā)電機(jī)的電角速度及定子電流iA、iB、iC，并利用坐標(biāo)變換得到isd、isq，最佳轉(zhuǎn)速ω*與實(shí)際轉(zhuǎn)速ω比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到q軸電流的參考值，與直接電流值isq比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后經(jīng)電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)得到q軸電壓的參考值usq。電流內(nèi)環(huán)中，d軸電流參考值，與實(shí)際電流值進(jìn)行比較后經(jīng)PI環(huán)節(jié)冉經(jīng)電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)得到d軸電壓的參考值usd。usd與usq經(jīng)過(guò)兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系到兩相靜止αβ坐標(biāo)系的變換得到在αβ坐標(biāo)系下的參考電壓uα與uβ，利用空間矢量脈寬調(diào)制原理產(chǎn)生PWM波形來(lái)控制整流器的開(kāi)關(guān)以達(dá)到對(duì)最大風(fēng)能的捕獲。

3 系統(tǒng)的仿真分析和結(jié)果
    為驗(yàn)證控制策略的正確性，按圖2的控制框圖，在simulink中搭建機(jī)側(cè)控制模塊如圖3所示，取空氣密度ρ=1．225，葉輪半徑R=32m，設(shè)計(jì)永磁電機(jī)的參數(shù)：定子電阻Rs=6mΩ，Ld=Lq=8．5mH，np=32，用1200V的直流電壓源代替直流側(cè)電壓。

    開(kāi)關(guān)頻率取2000Hz，風(fēng)速在0．3s時(shí)由4m／s躍變到8m／s，觀察輸出波形，如圖4所示。

    由圖4看出風(fēng)能利用系數(shù)能夠穩(wěn)定在最佳風(fēng)能系數(shù)0．48的最優(yōu)狀態(tài)：由圖5可看出，定子電流穩(wěn)定為0，實(shí)現(xiàn)了=0的控制：在圖6中，風(fēng)速突變后，最終也能穩(wěn)定在一個(gè)定值；從圖7可以看出，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在風(fēng)速為4m／s時(shí)穩(wěn)定在對(duì)應(yīng)該風(fēng)速的最佳轉(zhuǎn)速rad／s，而風(fēng)速變到8m／s時(shí)，穩(wěn)定在8m／s對(duì)應(yīng)的rad／s，能快速響應(yīng)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為最佳轉(zhuǎn)速；而根據(jù)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)變化，其機(jī)側(cè)功率如圖8所示，可見(jiàn)能實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)采用背靠背雙PWM變流器，根據(jù)實(shí)時(shí)的變化控制其電機(jī)性能，提高系統(tǒng)的效率。本文在建立了永磁風(fēng)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，在最大風(fēng)能捕獲及電機(jī)的解耦控制基礎(chǔ)上，在Matlab／Simulink下進(jìn)行了建模仿真，仿真結(jié)果論證了基于的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制策略的可行性。仿真結(jié)果表明，該控制方法能根據(jù)風(fēng)速變化文時(shí)跟蹤電流和轉(zhuǎn)速的變化，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。