永磁風(fēng)電機(jī)組零電流矢量控制策略研究

沈旭珍

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

1 引言

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是目前主流機(jī)型之一。這種系統(tǒng)無需齒輪箱減少了長(zhǎng)期維護(hù)費(fèi)用，低壓穿越能力也強(qiáng)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，更有利于大規(guī)模并網(wǎng)[1-2]。變流器采用電壓源型雙PWM，控制靈活簡(jiǎn)單可以提高發(fā)電機(jī)組側(cè)運(yùn)行性能，而被廣泛應(yīng)用。

基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組側(cè)PWM矢量控制有多種形式：最大轉(zhuǎn)矩電流比、id=0、單位功率因數(shù)（UPF）、恒定氣隙磁鏈和最小損耗控制等[3]。綜合考慮變流器容量、系統(tǒng)控制難易程度、電機(jī)運(yùn)行效率和退磁效應(yīng)等多方面因素，id=0是目前實(shí)際工程應(yīng)用最廣泛的控制策略。

本文發(fā)電機(jī)組側(cè)采用id=0控制，系統(tǒng)并網(wǎng)側(cè)采用電網(wǎng)電壓定向控制，搭建了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。對(duì)額定風(fēng)速以下最大功率跟蹤時(shí)的運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真研究，深入分析了這種控制策略。

2 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型

雙PWM型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、雙PWM變流器和直流環(huán)節(jié)構(gòu)成。變化的風(fēng)速使發(fā)電機(jī)輸出不斷變化的電流，PWM整流器將其轉(zhuǎn)化為電壓恒定的直流電，經(jīng)中間直流穩(wěn)壓環(huán)節(jié)后由電網(wǎng)側(cè)PWM逆變器饋入電網(wǎng)（圖1）。

圖1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2.1 風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力機(jī)從空氣中捕獲的風(fēng)能為

式中，ρ為空氣密度；R為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子半徑；β為槳距角；葉尖速比為風(fēng)力機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速；pC為與槳距角和葉尖速比有關(guān)的功率系數(shù)。槳距角和風(fēng)速一定的情況下，風(fēng)力機(jī)只有運(yùn)行于某一特定的轉(zhuǎn)速下pC值才最大，輸出的功率也最大。將各風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的最大功率連線，獲得圖2風(fēng)力機(jī)的最大功率特性曲線。

圖2 風(fēng)力機(jī)的最大功率特性曲線

2.2 永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

依照電動(dòng)機(jī)慣例，在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型[4-5]。定子電壓和定子磁鏈方程為

式中，isd、isq、usd和usd分別為定子d、q軸電流和電壓；Rs是定子電阻；eω是發(fā)電機(jī)電角頻率。和分別為發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子d、q軸磁鏈。一般不考慮轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的凸極效應(yīng)并且電機(jī)氣隙均勻，則L =Ld=Lq；p為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)。

電磁轉(zhuǎn)矩和功率的表達(dá)式為

2.3 PWM變流器數(shù)學(xué)模型

機(jī)側(cè)變流器與定子直接相聯(lián)，忽略變流器產(chǎn)生的高次諧波分量，其數(shù)學(xué)模型就是定子電壓方程。取dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與電網(wǎng)電壓矢量方向一致，q軸沿旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°，則ugd=ug，ugq=0。網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型為

式中，ugd、ugd、igd、igq、分別為變流器d、q軸輸出電壓的基波分量和網(wǎng)側(cè)電流；Sd、Sq為d、q坐標(biāo)系下的變流器開關(guān)量；udc為直流電壓；gω為電網(wǎng)角頻率；Lg、Rg分別為網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)之間的連接電感及等值電阻；ed、eq為電網(wǎng)d、q軸電壓；idcs為發(fā)電機(jī)側(cè)變流器流入直流電容的直流電流。

3 系統(tǒng)運(yùn)行控制策略

3.1 發(fā)電機(jī)組側(cè)變流器控制

額定風(fēng)速以下發(fā)電機(jī)側(cè)變流器控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤，控制電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)之間流動(dòng)的無功功率。忽略動(dòng)態(tài)特性，采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向id=0 控制的永磁同步發(fā)電機(jī)電壓和功率方程為

由圖3知轉(zhuǎn)速上升導(dǎo)致機(jī)側(cè)有功、無功功率同時(shí)增加。由瞬時(shí)功率理論，發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率如上所示，機(jī)側(cè)功率因數(shù)有所降低。

圖3 機(jī)組側(cè)id=0控制矢量圖

由最大功率跟蹤（MPPT）算法給定轉(zhuǎn)速參考值再經(jīng)PI控制器得到q軸電流指令，d軸電流參考值為0。前饋解耦后得到所需要的控制電壓。

圖4 機(jī)組側(cè)變流器控制原理圖

id=0控制方法簡(jiǎn)單但沒有考慮電機(jī)效率和功率因數(shù)等問題。電機(jī)發(fā)出有功功率同時(shí)要從電網(wǎng)吸收無功功率，機(jī)組側(cè)變流器容量因此較大。當(dāng)L =Ld=Lq時(shí)這種控制方法與最大轉(zhuǎn)矩電流比控制等效即單位電流出力最大[6]。

3.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器控制目標(biāo)為輸入電網(wǎng)的有功功率和無功功率解耦以及穩(wěn)定直流電壓。根據(jù)瞬時(shí)功率理論，電網(wǎng)電壓定向控制下的電網(wǎng)輸出的有功和無功功率為

控制結(jié)構(gòu)如圖5,Pg只受igd控制，Qg只受igq控制。d軸采用電壓外環(huán)，q軸采用無功功率外環(huán)，分別得到內(nèi)環(huán)電流參考值；內(nèi)環(huán)電流前饋解耦后得到所需要的控制電壓。

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器控制原理圖

4 系統(tǒng)仿真

使用仿真軟件Matlab/simulink搭建了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行控制系統(tǒng)。風(fēng)電場(chǎng)由5臺(tái)38對(duì)極低速PMSG構(gòu)成，額定電壓690V，額定轉(zhuǎn)速16.7r/min。風(fēng)力機(jī)單機(jī)容量2MW，額定風(fēng)速12m/s。直流電壓1200V，網(wǎng)側(cè)變流器額定電壓690V。仿真時(shí)間8s，令風(fēng)速在3s時(shí)從12m/s降落到9.6m/s。

該系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能曲線如圖6所示。風(fēng)速躍變后，從圖6b可見系統(tǒng)工作狀態(tài)由最大功率跟蹤曲線下對(duì)應(yīng)的0.73pu.風(fēng)力機(jī)額定機(jī)械功率降低到0.38pu.，需要從電網(wǎng)吸收的無功功率相應(yīng)減少，有功功率和無功功率不解耦；永磁同步發(fā)電機(jī)定子d軸電流始終維持在零值，q軸電流隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的降低而減小（圖6c）；風(fēng)速變化瞬間可引起直流電壓波動(dòng)，之后能夠較快恢復(fù)到參考值1200V（圖6d）。網(wǎng)側(cè)變流器采用單位功率因數(shù)控制，輸入電網(wǎng)的有功功率隨風(fēng)速降低而減少，無功功率基本保持在零附近（圖6e）。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能曲線

5 結(jié)論

（1）基于Matlab/simulink仿真平臺(tái)建立了并網(wǎng)直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型。機(jī)組側(cè)采用id=0控制策略結(jié)合網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電壓定向，可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電要求。機(jī)組能夠完成最大風(fēng)能捕獲，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好。

（2）基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的id=0控制算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)；但機(jī)組需要吸收無功功率且與有功功率不解偶，風(fēng)速變化導(dǎo)致二者同時(shí)變化。需要較大變流器額定容量，造價(jià)較高。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該多種控制方式結(jié)合，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)不同情況有選擇應(yīng)用。

[1] 李輝,薛玉石,韓力.并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展綜述[J].微特電機(jī),2009,(5)：55-61.

[2] 包廣清,施進(jìn)浩,江建中.大功率直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)綜述[J].微特電機(jī),2008,(9)：52-55.

[3] 李崇堅(jiān),交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),第一版,北京：科學(xué)出版社,2006：271-282.

[4] 尹明,李庚銀,張建成等.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模及其控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(15)61-65.

[5] Chinchilla M,Arnaltes S,Burgos J C.Control of Permanent-magnet generators applied to variable Speed wind-energy systems connected to the grid [J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2006,21(1)：130-135.

[6] 張雷,付勛波.不同控制目標(biāo)下的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略分析[J].大功率變流技術(shù),2009,(1)：31-34.

[7] 嚴(yán)干貴,魏治成,穆鋼等.直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)建模與運(yùn)行控制[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2009,21(6)：34-39.