新型混合勵磁直驅式風力發電系統MPPT控制

趙梅花 楊 勇 鐘沁宏

（1. 洛陽理工學院機電工程系 洛陽 471023 2. 上海大學機電工程與自動化學院 上海 200072 3. 蘇州大學城市軌道交通學院 蘇州 215021）

1 引言

典型的風力發電系統結構有雙饋風力發電系統和直驅式永磁同步風力發電系統[1,2]。雙饋發電系統具有投資少、功率損耗低等優點，其不足之處是需要齒輪箱，可靠性低[3,4]。直驅式永磁同步風力發電機系統采用發電機與葉輪直接相連的驅動方式，省去了齒輪箱，可靠性和效率較高，但由于其磁場不可控，風能的最大功率跟蹤控制較為復雜[5,6]。

混合勵磁同步發電機（Hybrid Excitation Synchro-nous Generator，HESG）是在傳統永磁同步電機基礎上增加了可調節的電勵磁環節，不僅具備永磁電機的優點，而且可實現電機氣隙磁場平滑可調。發電運行時，具有較寬的電壓調節能力或寬范圍變速恒壓輸出能力，具有廣泛的工業應用前景。

基于HESG的直驅式風力發電系統具有磁場可調、轉矩密度高、效率高等優點，易于實現系統最大風能跟蹤控制的特點[7,8]。

直驅式永磁同步風力發電系統中，由于永磁電機本身勵磁不可控，需在主電路添加電力電子裝置輔助實現最大風能跟蹤[9-12]。基于 HESG的直驅式風力發電系統，可通過調節電勵磁電流的大小實現風能最大捕獲，不需增設硬件電路。文獻[13]提出了基于最佳葉速比的最大風能跟蹤方案，根據檢測的風速調節HESG的轉速，使風機運行于最佳葉尖速比，從而捕獲最大風能，控制簡單，易于實現，但該控制依賴于風機參數和空氣密度，且實際風場的風速測量不僅會增加成本，測量精度也難以保證。

本文提出了變步長最大風能跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制算法，該算法不依賴風機參數和空氣密度。算法實現時HESG工作于速度控制模式，轉速環給定ω*隨著兩個連續采樣周期有功功率變化ΔP的幅值和正負做動態調整，自動搜索風機在該風速下的最佳轉速點，實現最大風能跟蹤。搭建了基于HESG的直驅式風力發電系統實驗平臺，實驗結果驗證了所提MPPT算法的可行性和正確性。

2 系統結構

基于 HESG的直驅式風力發電系統如圖 1所示。系統由風輪機、HESG、三相不控整流橋、并網逆變器等組成。HESG將風能轉換為正弦交流電能，再由三相不控整流橋轉換為直流電儲存于母線電容，通過三相并網逆變器逆變并網。HESG與風機直接相連，采用小容量勵磁調節裝置（本系統采用Buck電路）控制HESG的勵磁電流，降低了成本，提高了系統的效率和可靠性。

圖1 混合勵磁風力發電系統結構Fig.1 Schematic block diagram of System

本課題研究采用臺達環境與教育基金會《電力電子科教發展計劃》（DRES2007002）資助研發的新型混合勵磁同步發電機，其結構如圖2所示[14]。裝在定子上的直流勵磁線圈首先在旋轉的轉子上感應出交流勵磁電流，又經轉子上的整流器給位于轉子上的勵磁繞組勵磁，和永磁體共同產生氣隙磁場，在定子上感應出電動勢。由于發電機的氣隙磁場由永磁體和電勵磁共同產生，通過調節電勵磁繞組中直流電流來調節氣隙磁場的大小，實現磁場平滑可調。

圖2 HESM結構圖Fig.2 Schematic diagram of HESM

3 HESG數學模型及勵磁控制

取由定子繞組端點流入電機中心方向作為定子各相電流的參考正方向，繞組磁鏈ψ和電流i的正方向符合右手螺旋法則，永磁體產生的主極磁通方向定為 d軸的正方向，q軸超前 d軸 90°電角度。HESG在dq坐標系下的方程如下[14]。

電樞繞組和勵磁繞組的磁鏈方程

式中，Ld、Lq分別為直軸和交軸電感；Mf為勵磁繞組與電樞繞組的互感；Lf為勵磁繞組自感；ψpm為永磁體匝鏈電樞繞組的磁鏈幅值。

電壓方程

由方程（2）可知，控制勵磁電流的大小，即可控制定子電壓和定子電流的大小。方程（2）中勵磁回路電壓方程是勵磁電流控制策略電流內環的設計依據。

本文由Buck電路為 HESG電勵磁，為了保證磁場穩定，采用勵磁電流閉環控制。

4 MPPT控制算法

系統控制環節主要由并網逆變控制和最大風能跟蹤控制構成。并網逆變器采用電網電壓定向的矢量控制策略[13]，主要控制目標是保持直流母線電壓恒定，實現有功和無功功率的解耦控制及逆變并網。限于篇幅，本文僅對最大風能跟蹤控制做詳細闡述，并網逆變控制策略僅配合所提出的MPPT算法做實驗驗證。

MPPT控制算法主要有極值搜索法和最佳功率—轉速曲線法兩大類[15,16]。無論采用哪種 MPPT算法，其實質都是依據風機基本特性。本文提出一種變步長MPPT算法，通過試驗得出一種更有效的步長經驗計算方法。

4.1 風機基本特性

根據貝茨（Betz）理論，風機捕獲風能Pwind為

式中，ρ為空氣密度；R為葉片半徑；v為風速；CP(β,λ) 為風能利用系數，是槳葉節距角β和葉尖速比λ(λ=Rω/v) 的函數，它反映了風機將風能轉化為機械能的效率。

在定槳距（β固定）情況下，本實驗所模擬風機的CP(β,λ) 曲線如圖 3所示。調節ω使風機達到最佳葉尖速比λopt(λopt=3.7，CP=CP-max)，實現最大風能捕獲。定槳距風機Pwind(ω,v) 曲線如圖4所示。

圖 3 CP(λ) 曲線Fig.3 CP(λ) characteristics curve

圖 4 定槳距風機Pwind(ω,v) 曲線Fig.4 Pwind(ω,v) curve of imitation wind turbine

4.2 變步長MPPT算法

變步長極值搜索法采用步長隨風機運行點位置自動調節的機制，能快速、準確地達到最佳工作點。其算法原理通過圖4來闡述。

變步長搜索法轉速增量（步長）表達式為

式中，ΔPwind(k)、Δω(k) 分別為連續兩次算法周期之間風機輸出功率和風機轉速的增量；b、c為變步長爬山算法權值，它們影響變步長算法的速度和精度，需根據實際系統選取。

式（5）是本文根據實驗現象得出的步長經驗算法。由于步長給定Δω*(k) 的大小和方向是由ΔPwind(k)和Δω(k)的大小和正負共同決定的，用此式計算步長更為合理，使系統能快速準確地搜索到最大風能捕獲點。

根據Δω*(k) 和轉速ω(k-1) 算出 HESG 轉速給定為

變步長搜索法的工作過程可根據圖 4描述如下：

圖5 變步長算法流程Fig.5 Flow chart of algorithm

4.3 變步長MPPT算法實現

變步長自動搜索法的核心是對ΔPwind和Δω的測量，Δω可以通過光電碼盤等測速裝置測得，但ΔPwind很難直接測得。整個系統的功率是由風機流向電網，根據功率平衡原理得

式中，J和Tf為傳動機構慣性時間常數和摩擦轉矩；P1為逆變器輸出有功功率；Ploss為系統損耗。對于中小功率發電系統，忽略J、Tf和Ploss的影響，則有

通過檢測一定間隔時間內的ΔP1近似得到ΔPwind，由式（4）得到轉速給定信號ω*。

轉速、電流雙閉環變步長MPPT控制結構如圖6所示。

圖6 MPPT算法結構Fig.6 Schematic diagram of MPPT algorithm

5 實驗及結果分析

5.1 實驗平臺的搭建

搭建了如圖 7所示的直流電機-混合勵磁發電機風力發電系統實驗平臺。實驗所用HESM參數見表1。用3kW直流電機模擬風機特性，被模擬風機CP(λ) 模型為

圖7 實驗平臺結構Fig.7 Structure of test platform

表1 HESG參數Tab.1 Parameters of the HESG

取表2的風機參數并與實驗室3kW直流電動機的輸出功率、轉速匹配，引入虛擬傳動比1:2.151，模擬結構如圖8所示。模擬風機Pwind(ω,v) 曲線如圖4所示，風速范圍為9～15m/s。因風機模型的最佳葉尖速比λopt=3.7，由葉尖速比的定義和虛擬齒輪傳動比可知，當HESG轉速與風速之間滿足式（10）時，模擬風機輸出該風速下最大功率。

表2 定槳距風機模擬參數Tab.2 Imitation parameters of wind turbine

圖8 直流機模擬定槳距風機控制策略Fig.8 Emulation scheme of the wind turbine

5.2 實驗結果分析

在風機特性模擬的基礎上，進行系統的最大風能跟蹤和并網逆變試驗。

變步長算法的采樣周期為 1.2s，HESG轉速環調節周期為 1ms，用試湊法得到步長權值b為0.4rad2/(W?s2)，c為 0.3rad2/(W?s2)。采用 infineon X167C作為系統的主控芯片，并網逆變器PWM頻率 10kHz。直流母線電壓 500V，電網電壓300V。實驗波形如圖9～圖12所示。

圖9 模擬風機的 P(ω) 曲線（v=12m/s）Fig.9 P(ω) curve of emulated wind turbine

圖10 算法跟蹤過程Fig.10 Tracking process of algorithm

圖11 算法動態響應Fig.11 Dynamic response of algorithm

圖12 v=12m/s不同功率因數下逆變波形Fig.12 Inverter waveforms in different cosφ, v=12m/s

圖 9所示的直流機Pwind（ω,v）曲線與被模擬風機的轉速-功率曲線（圖4）一致，當風速為12m/s時，HESG轉速為1 200r/min時風機捕獲最大功率，驗證了當HESG轉速和風速滿足式（10）關系時，模擬風機輸出該風速下的最大功率。

圖10是變步長算法的跟蹤過程。在t時刻階躍改變風速v(9m/s→12m/s) 時（圖4所示），由于系統慣性，轉速n不能突變，Pwind從點A→B突增，這時轉速增加，步長為bΔPwind(k)，之后步長為cΔPwind(k) /Δω(k)，從點B→D系統通過變步長算法調節發電機轉速，且步長Δω越來越小地逼近最大風能點C，若步長合適，可使系統穩定運行于C點，若步長較大使系統運行到D點時， ΔPwind為負值，Δω*也隨之變為負值，轉速下降，功率增加，即ΔPwind為正，運行點左移，通過變步長算法最后穩定運行于 D點，滿足式（10）關系的最佳轉速ωopt=±1 0r/min 范圍內。Pwind為模擬風機輸出最大功率的基礎上除去Ploss的P1觀測值。

圖 11驗證了采用變步長算法系統的動態響應能力。在t1時刻改變風速v（9.5m/s→11m/s），系統進入最大風能跟蹤控制，通過變步長搜索算法，系統轉速逐漸向最佳轉速調節，在系統未達穩態的t2時刻再次改變風速v（11m/s→9.5m/s），系統搜索方向能夠快速響應風速變化并最后穩定運行于最佳轉速附近，驗證了系統對快變風速的動態響應能力。

本系統最大風能跟蹤范圍為 9～15m/s。圖 12是風速為12m/s時，在不同功率因數下的逆變波形，uga為a相電網電壓波形，ia為a相逆變電流波形。

實驗結果表明，系統能在一定風速范圍順利實現變步長MPPT算法和并網逆變。驗證了控制策略的正確性。

6 結論

本文將HESG應用于直驅式風力發電系統。導出了 HESG在 dq坐標系下的數學模型，對系統控制機理進行了較為深入的研究。提出變步長 MPPT控制算法。該算法不依賴風機參數和空氣密度，自動搜索風機在實時風速下的最佳轉速點，實現最大風能跟蹤。對變步長MPPT算法的跟蹤過程作了詳細闡述，通過實驗得出一種變步長經驗算法，使系統更有效地實現最大風能跟蹤，提高了發電系統的運行效率。在一定風速范圍內，系統能很好地實現最大風能跟蹤和并網逆變。

[1] Carrasco J M, Franquelo L G, Bialasiewicz J T, et al.Power-electronic systems for the grid integration of renewable energy sources: a survey[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53(4): 1002-1016.

[2] S Heier. Grid integration of wind energy conversion systems[M]. Hobo-ken, NJ: Wiley, 1998.

[3] Tapia A, Tapia G, Ostolaza J X, et al. Modeling and control of a wind turbine driven doubly fed induction generator[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2003, 18(2): 194-204.

[4] 苑國鋒, 柴建云, 李永東. 變速恒頻風力發電機組勵磁變頻器的研究[J]. 中國電機工程學報, 2005,25(8): 90-94.Yuan Guofeng, Chai Jianyun, Li Yongdong. Study on excitation converter of variable speed constant frequency wind generation system[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(8): 90-94.

[5] Gao J, Lu J, Huang K, et al. A novel variable step hill-climb search algorithm used for direct driven PMSG[C]. ICEET '09 International Conference on Energy and Environment Technology, 2009,Changsha: 511-514.

[6] Yiguang Chen, Zhiqiang Wang, et al. A control strategy of direct driven permanent magnet synchronous generator for maximum power point tracking in wind turbine application[C]. International Conference on Electrical Machines and Systems, 2008: 3921-3926.

[7] 夏永洪, 王善銘, 邱阿瑞, 等. 新型混合勵磁永磁同步電機齒諧波電動勢的協調控制[J]. 電工技術學報, 2012, 27(3): 56-61.Xia Yonghong, Wang Shanming, Qiu Arui, et al.Coordinated control of tooth harmonic EMF of novel hybrid excitation permanent magnet synchronous machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(3): 56-61.

[8] Eftichios Koutroulis, Kostas Kalaitzakis. Design of a maximum power tracking system for wind-energyconversion applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53(2): 486-494.

[9] Shuhui Li, Haskew T A. Characteristic study of vector-controlled direct driven permanent magnet synchronous generator in wind power generation[C].Power Engineering Society General Meeting, 2008,20-24: 1-9.

[10] Srighakollapu N, Sensarma P S. Sensorless maximum power point tracking control in wind energy generation using permanent magnet synchronous generator[C]. Industrial Electronics 34th Annual Conference of IEEE, 2008: 2225- 2230.

[11] Esmaili R, Xu L, Nichols D K. A new control method of permanent magnet generator for maximum power tracking in wind turbine application[C]. Power Engineering Society General Meeting, California(USA), 2005: 2090-2095.

[12] Chen Yiguang, Wang Zhiqiang, Shen Yong huan, et al.A control strategy of direct driven permanent magnet synchronous generator for maximum power point tracking in wind turbine application[C]. International Conference on Electrical Machines and Systems, 2008:3921-3926.

[13] 趙梅花, 阮毅, 楊勇, 等. 直驅式混合勵磁風力發電系統控制策略的研究[J]. 電力系統保護與控制,2010, 38(12): 19-23.Zhao Meihua, Ruan Yi, Yang Yong, et al. Control strategy study on direct-driven type hybrid excitation wind power system[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(12): 19-23.

[14] 黃蘇融, 張琪, 謝國棟, 等. 《多重電樞混合勵磁直驅式風力發電系統》[P]. 中國發明專利申請, 2007.3.10.

[15] Li Chunhua, Zhu Xinjian, Sui Sheng, et al. Maximum power point tracking of a photovoltaic energy system using neural fuzzy techniques[J]. Journal of Shanghai University, 2009, 13(1): 29-36.

[16] Srighakollapu N, Sensarma P S. Sensorless maximum power point tracking control in wind energy generation using permanent magnet synchronous generator[C]. 34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, Nov.10-13, 2008: 2225-2230.