摘 要： 說明了直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成和原理，分析了永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的控制策略；設(shè)計了發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器基于電網(wǎng)電壓矢量定向、機側(cè)變流器基于發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向的背靠背雙PWM協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)。最后通過仿真驗證了該系統(tǒng)的最大功率跟蹤特性，并就仿真中PI參數(shù)設(shè)置的關(guān)鍵問題進行了說明，可有效防止轉(zhuǎn)速比較控制中的轉(zhuǎn)矩沖擊問題。
關(guān)鍵詞： 永磁同步電機；風(fēng)力發(fā)電；矢量控制；PWM整流
當今世界，石化能源大量消耗，傳統(tǒng)能源資源面臨枯竭，能源短缺問題日益嚴重。改變能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)新能源已經(jīng)刻不容緩。而風(fēng)能便是各種新能源中應(yīng)用最廣泛的一種[1]。
現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中，應(yīng)用最廣泛的兩種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)分別為雙饋發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。兩者中，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于變頻策略實現(xiàn)在轉(zhuǎn)子側(cè)，只需發(fā)電機容量的1/3左右，因此容量相對做得更大，但是該系統(tǒng)需要價格昂貴的增速齒輪箱，同時雙饋發(fā)電機含有容易損壞的滑環(huán)和電刷，使整個發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，發(fā)電效率受此影響難以提升。與其相比，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)則省去了齒輪箱裝置，結(jié)構(gòu)相對簡單，控制較為容易。雖然變頻器容量相對較大，但是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器容量也不再是一個明顯的瓶頸。而且永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還具有較強的低電壓穿越能力，這是雙饋發(fā)電系統(tǒng)無法相比的[2-3]。從風(fēng)力發(fā)電總體效益上考慮，直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)很有潛力，將成為未來幾十年的主流方案，所以本文選擇永磁風(fēng)電系統(tǒng)作為研究對象。
1 拓撲結(jié)構(gòu)基本原理
圖1為基于雙PWM拓撲結(jié)構(gòu)的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)力機與永磁同步發(fā)電機同軸相連，發(fā)電機定子連接機側(cè)變流器，機側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器均為IGBT反并聯(lián)續(xù)流二極管的三相橋電路，中間通過直流環(huán)節(jié)相連，網(wǎng)側(cè)變流器連接電網(wǎng)。
該系統(tǒng)變流環(huán)節(jié)可以看作雙P結(jié)構(gòu)的交直交變頻器 ，但在控制上卻不相同。電路中PWM變流器可以分為兩部分。電機側(cè)變流器主要用于控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使其跟隨風(fēng)速的變化而變化來追蹤最佳風(fēng)能（第3節(jié)中介紹），并且將發(fā)電機輸出的頻率和幅值變化的三相交流電整流成穩(wěn)定的直流電；而網(wǎng)側(cè)變流器的作用則是穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，并且將發(fā)電機輸出到直流側(cè)的電能轉(zhuǎn)換為頻率和幅值與電網(wǎng)相同的交流電饋入電網(wǎng)，此外，在電網(wǎng)電壓因為雷擊或者短路等故障導(dǎo)致電壓跌落時，網(wǎng)側(cè)變流器可以向電網(wǎng)輸送一定的無功功率支持網(wǎng)側(cè)電壓的穩(wěn)定。
2 控制策略與控制結(jié)構(gòu)
2.1 最大風(fēng)能追蹤策略
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運行時主要有兩種狀態(tài)：額定風(fēng)速以下運行和額定風(fēng)速運行。額定風(fēng)速以下時保持槳距角β=0，通過各種控制方式使發(fā)電機以最大功率運行；在達到額定風(fēng)速或者超過額定風(fēng)速時通過控制槳距角（變槳距）或者葉尖速比（定槳距）來降低風(fēng)能利用系數(shù)Cp，限制風(fēng)能的利用率，使風(fēng)力機維持在額定功率運行。由于風(fēng)電場中風(fēng)速經(jīng)常會低于額定風(fēng)速，而最大風(fēng)能跟蹤問題就是在此基礎(chǔ)上提出的[4]。
風(fēng)力機吸收功率為：
由式(2)可以看出，要使葉尖速比λ保持為λopt（最佳葉尖速比），只要使風(fēng)力機轉(zhuǎn)速ω與風(fēng)速v比值不變即可。而直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力機與發(fā)電機同軸相連，轉(zhuǎn)速相同。所以只要風(fēng)速變化時控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化便能實現(xiàn)風(fēng)力機對風(fēng)能的最大追蹤。這也是本文選用的最佳葉尖速比控制法。
此外還有爬山搜索法、功率信號反饋法等方法都可以實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤。在此不再一一敘述。
2.2 控制結(jié)構(gòu)
結(jié)合永磁同步發(fā)電機以及三相PWM變流器數(shù)學(xué)模型，對網(wǎng)側(cè)變流器采用基于電網(wǎng)電壓矢量定向的控制策略，機側(cè)變流器采用基于電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向id=0矢量控制策略，設(shè)計出如圖2所示雙PWM協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖。
網(wǎng)側(cè)變流器的控制過程與機側(cè)變流器相似，給定直流電壓Udc*與從直流側(cè)檢測得到的實際電壓Udc比較，差值經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器得到有功電流的期望值id*，id*與實際檢測到的有功電流iq比較（有功電流和無功電流通過坐標變換得到，ω由鎖相環(huán)PLL得到），差值經(jīng)過有功電流調(diào)節(jié)器輸出，然后加上前饋電壓補償?shù)玫絽⒖茧妷簎d。無功電流iq*在發(fā)電系統(tǒng)正常運行時設(shè)定為0，iq*與實際無功電流iq比較，差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器再加上前饋電壓補償?shù)玫絽⒖茧妷簎q，ud、uq經(jīng)過SVPWM調(diào)制得到網(wǎng)側(cè)變流器主電路三相橋的驅(qū)動脈沖，以此來控制網(wǎng)側(cè)變流器工作。
根據(jù)以上分析，通過網(wǎng)側(cè)變流器和機側(cè)變流器協(xié)調(diào)控制，便可使發(fā)電機和風(fēng)力機跟隨風(fēng)速的變化而變化，吸收各種風(fēng)速下的最大風(fēng)能，同時將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，進一步通過各種電流環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為可以饋入電網(wǎng)的電能，實現(xiàn)永磁風(fēng)力發(fā)電的基本目標。
3 系統(tǒng)仿真研究
根據(jù)圖2，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，仿真參數(shù)設(shè)置如下：
風(fēng)力機參數(shù)：額定功率120 kW；風(fēng)力機葉輪半徑12 m；切入風(fēng)速3 m/s；切出風(fēng)速25 m/s；額定風(fēng)速10 m/s；最佳葉尖速比8.3；最佳風(fēng)能利用系數(shù)4.79。
永磁同步發(fā)電機參數(shù)：額定功率120 kW；定子電阻0.12 Ω，d軸電感0.033 H；q軸電感0.033 H；永磁體磁鏈1.79 Wb；轉(zhuǎn)動慣量150 kg·m2；轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)0.005 N·m·s；極對數(shù)32。
網(wǎng)側(cè)變流器仿真參數(shù)：網(wǎng)側(cè)相電壓220 V；網(wǎng)側(cè)濾波電感0.012 H；濾波電感等效電阻0.06 ?贅；開關(guān)頻率5 kHz；直流側(cè)濾波電容0.002 2 F。
仿真波形如圖3～圖9所示。
根據(jù)以上仿真曲線可以看出，當風(fēng)速由7 m/s漸變?yōu)?0 m/s時，發(fā)電機 (風(fēng)力機)轉(zhuǎn)速能夠很好地跟隨風(fēng)速的變化而變化，發(fā)電機定子側(cè)電流和網(wǎng)側(cè)電流也隨著風(fēng)速的增大而增大，并且網(wǎng)側(cè)電流與電壓能夠保證運行在單位功率因數(shù)逆變(相位角相差180°)狀態(tài)。通過網(wǎng)側(cè)有功功率以及有功電流id、無功電流iq可以看出，整個發(fā)電過程中，只要系統(tǒng)正常運行，網(wǎng)側(cè)無功電流iq便一直保持為0，而有功電流可以隨著風(fēng)速的變化而變化，當風(fēng)速變化時饋入電網(wǎng)的有功功率由40 kW變?yōu)?20 kW，風(fēng)能利用系數(shù)在整個過程中基本保持不變，接近0.48，說明風(fēng)電系統(tǒng)在整個過程中一直保持最大風(fēng)能的追蹤。
4 其他問題的說明
(1)在風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)中應(yīng)用了多個PI調(diào)節(jié)器，在對其比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki進行設(shè)定時必須符合發(fā)電系統(tǒng)的基本物理要求，另外各個PI調(diào)節(jié)器一定要加限幅值。例如發(fā)電機控制系統(tǒng)中的變流器，如果外環(huán)為速度環(huán)時，由于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有很大的轉(zhuǎn)動慣量，反應(yīng)比較遲緩，因此要使其速度跟隨風(fēng)速快速變化必須是PI調(diào)節(jié)器有合適的靈敏度，一般比例系數(shù)Kp應(yīng)該設(shè)置得較大一些，而積分時間常數(shù)ιi應(yīng)該較小。
(2)PI調(diào)節(jié)器的限幅值也非常關(guān)鍵，因為仿真最終是模擬實際，因此只有確定明確的限幅值才能確定系統(tǒng)的容量問題，才能對其他各種問題進行分析。
(3)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的中間變流環(huán)節(jié)可以看作一臺背靠背PWM交直交變頻器[6]，因此當風(fēng)速變化較為明顯時，若采用速度外環(huán)控制則可能出現(xiàn)發(fā)電機運行到電動狀態(tài)的問題，也就是風(fēng)能和電網(wǎng)發(fā)出電能同時使風(fēng)力機和發(fā)電機提速。在這種情況下風(fēng)電系統(tǒng)的電流和功率極性都會瞬時發(fā)生改變，這對系統(tǒng)就有一定的沖擊性，是一種不良影響。因此必須對PI調(diào)節(jié)器設(shè)定合適的限幅值，防止其在轉(zhuǎn)速變化（特別是風(fēng)速變化明顯，如階躍信號）時工作在電動狀態(tài)，在設(shè)定限幅值時應(yīng)同時設(shè)置積分環(huán)節(jié)單獨的限幅值，防止其積分影響。
本文通過仿真分析驗證了采用雙PWM協(xié)調(diào)控制的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在最大功率追蹤方面的較好性能，說明了該系統(tǒng)具有良好的可行性；論文最后對仿真系統(tǒng)中PI參數(shù)的設(shè)置進行了說明，使該系統(tǒng)可以有效避免轉(zhuǎn)速控制中轉(zhuǎn)矩和功率沖擊問題。
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