TSMC直驅風力發電系統MPPT優化控制

鄧文浪，袁 婷，胡畢華，蔣衛龍，陳勇奇

(湘潭大學信息工程學院，湖南湘潭411105)

TSMC直驅風力發電系統MPPT優化控制

鄧文浪，袁 婷，胡畢華，蔣衛龍，陳勇奇

(湘潭大學信息工程學院，湖南湘潭411105)

以基于雙級矩陣變換器 (TSMC)的永磁同步風力發電系統為研究對象，闡述了最大風能追蹤的原理，分析了TSMC直驅式風力發電系統的功率集成控制，提出了一種利用轉子轉動慣量功率實現最大風能追蹤的控制算法。在傳統功率控制算法中加入一個比例控制器，加快了系統捕獲風能的速度。在Matlab中搭建了TSMC風力發電系統的仿真模型，仿真結果表明：新MPPT算法在風速突變時，加快了系統的動態響應；在風速不變時，保持系統的穩定運行，使系統能快速且準確地捕獲風能。

TSMC；MPPT；直驅式風力發電系統；永磁同步發電機

隨著風力發電技術的不斷發展，直驅式永磁同步風力系統因其無需增速齒輪箱、維護量小、運行效率高、對電網沖擊小的優點引起了廣泛關注。雙級矩陣變換器(TSMC)因其控制自由度大、輸入功率因數可調、功率可雙向傳輸等特點，已成為國內外電力電子和風力發電領域的研究熱點[1]。使風力發電機保持運行在最佳葉尖速比上，從而捕獲最大的風能[2-10]。目前最大風能跟蹤的方法有：葉尖速比法[3，5]，功率信號反饋法[3，5]，爬山法[2，5]。爬山法用于轉動慣量較小、風力機參數不明確的小型機組。對于轉動慣量較大、已知風力機參數的大中型機組，可以采用功率反饋控制的最大風能跟蹤方法。

本文從風力機的特性出發，針對直驅風力發電系統和TSMC直流側無儲能裝置的特點，提出了一種利用轉子轉動慣量功率實現最大風能追蹤的算法，通過對逆變側有功功率的分級控制實現系統最大風能捕獲。在功率控制中加入一個比例控制器，系統經過反饋控制后，實際輸出功率能更好地跟蹤逆變級給定功率，實現最大功率輸出。通過對風力發電系統逆變級輸出有功無功功率的控制，使系統能更快速、更準確地捕獲風能。

1 最大風能追蹤原理

為了簡化分析，本文假設傳統系統為剛性系統并忽略摩擦，則永磁同步發電機的傳動鏈方程為：

2 新型MPPT控制策略

輸出轉矩可表示為：

由式(10)的傳遞函數可知，系統的輸出性能與風力機參數、等效轉動慣量等有關。為提高MPPT算法的動態響應，風力機轉矩和發電機轉矩的差值需要增大，使系統能加速運行。此外，MPPT算法在穩定狀態時應保持最大風能利用率。

當機組穩態運行時，比例控制器支路輸出為0，新MPPT算法和傳統算法穩態運行狀態相同，可以實現最大風能跟蹤。在風速突變時，作用在風力機組傳動鏈上的功率差將增大，從而使風力機組動態運行加速增大，加速了機組最大功率跟蹤速度。

3 控制系統結構框圖

TSMC直驅風電系統的最大功率控制策略如圖1所示。整流級采用開環控制；逆變級采用基于同步旋轉d、q坐標系的雙閉環控制。其中，外環是功率控制環，發電機的參考功率由最大風能跟蹤算法給出；根據電網所需要的無功功率來進行給定，選取無功功率為0；內環是電流控制環，是交叉耦合電壓補償項，ω0為電網的角頻率，可以實現對d、q軸電流的解耦控制，交叉耦合電壓補償項加上電流調節器的輸出控制電壓和，就可以得到d、q軸上的控制電壓分量，經過模塊計算和坐標變換形成逆變級驅動信號。逆變級的閉環控制可以實現最大風能跟蹤和輸出有功、無功功率的解耦控制。

圖1 基于TSMC的直驅式風力發電系統控制框圖

4 仿真實驗及結果分析

本文在Matlab/Simulink軟件中搭建了一臺25 kW的永磁直驅式風力發電系統的仿真模型。仿真參數：(1)空氣密度ρ= 1.225 kg/m3，風力機槳距角β=0°，槳葉半徑=4 m，最佳葉尖速比，額定風速為12 m/s；(2)電網電壓=200 V，= 60 Hz，電阻=0.01 Ω，TSMC輸出濾波電感=1 mH，輸出濾波電容=0.01 mF；(3)永磁同步發電機額定電壓為=690 V，定子相電阻=0.29 Ω，轉動慣量為=5 kg3m2，極對數為=6，交軸電感=3.5 mH。圖2為風速變化波形圖，風速分別在0.1、0.2 s處從12 m/s突變至11 m/s、11 m/s突變至12 m/s。

圖2 風速變化波形

圖3 給定功率和逆變級、發電機輸出有功功率

圖3為逆變級有功功率給定和逆變級、發電機輸出的有功功率。當風速變化時，逆變級輸出有功功率能夠根據最大風能跟蹤算法及時調整，實時跟蹤逆變級有功功率給定。由于TSMC中間沒有儲能裝置，發電機側(即TSMC輸入側)輸出功率與逆變級的輸出功率輸出變化相同。

圖4為風速突變時a相電壓電流，網側d、q軸電流。a相電壓和電流的相位角為0°，實現了單位功率因數控制，輸出電流諧波少、正弦性好。風速變化時，網側有功電流迅速變化，具有良好的動態響應性能。網側電壓和電流的頻率保持不變，實現了變速恒頻運行。

圖4 風速變化下網側電壓、電流波形

圖5是新型MPPT算法與傳統功率控制算法的波形對比，新型MPPT算法使逆變級輸出功率能更快地達到最佳值，表明系統能有效捕獲最大風能。

圖5 新型MPPT算法與傳統功率控制算法的比較

5 結語

本文提出了一種基于TSMC的直驅風力發電系統的最大風能追蹤算法。該算法采用加入比例控制器的功率控制算法，給出逆變級的有功功率給定值，實現了網側的有功、無功解耦控制。實驗結果表明，新型MPPT算法在風速突變時，加快了系統的動態響應；在風速不變時，保持系統的穩定運行，具有良好的動靜態控制性能，可實現最大風能跟蹤。

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Optimal control for maximum power point tracking in direct-driven wind power generation system based on two stage matrix converter

The control strategy of the permanent magnet synchronous wind power generation system based on two stage matrix converter(TSMC)was investigated.The power integration control of TSMC direct drive wind power system was explained.A new MPPT algorithm which takes advantage of rotor inertia power was proposed.A proportional controller was added into the traditional power control algorithm to improve the fast performance of the MPPT control.The simulation results show the new MPPT algorithm speeds up the dynamic response when the wind speed changes and maintains the stability when the wind speed keeps constant.

TSMC;MPPT;direct-drive wind power system;permanent magnet synchronous generator

TM 614

A

1002-087 X(2016)04-0830-03

2015-09-12

國家自然科學基金資助項目(50977080)

鄧文浪(1970—)，女，湖南省人，教授，主要研究方向為電力電子變換器及其控制技術，新能源發電控制技術。