永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的直接電流矢量最優(yōu)控制*

李 萌

(江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223000)

永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的直接電流矢量最優(yōu)控制*

李 萌

(江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223000)

永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組采用傳統(tǒng)的矢量控制策略雖然具有算法簡(jiǎn)單、實(shí)施可靠等優(yōu)點(diǎn)，但也存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、控制鏈路存在耦合的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出一種永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的直接電流矢量最優(yōu)控制策略。新型控制策略是在永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組傳統(tǒng)dq矢量控制基礎(chǔ)上，略微改進(jìn)了控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合最優(yōu)控制理論原理，引入非線性約束，并同時(shí)應(yīng)用到風(fēng)電變流器機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)控制中，實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤、無(wú)功功率輸出控制和電網(wǎng)電壓支持等功能。最后，為了驗(yàn)證控制策略的有效性，基于MATLAB/Simulink平臺(tái)搭建了永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組仿真模型，并使用了傳統(tǒng)矢量控制器和新型控制器進(jìn)行了仿真對(duì)比研究。計(jì)算結(jié)果表明，使用新型直接電流矢量最優(yōu)控制時(shí)，各方面控制性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)矢量控制。

風(fēng)力發(fā)電； 永磁同步發(fā)電機(jī)； 直接電流矢量控制； 最優(yōu)控制； 直流電壓控制

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電作為增長(zhǎng)最快速的可再生能源，裝機(jī)容量不斷上升，并已經(jīng)發(fā)展到海上風(fēng)電[1-3]。采用永磁同步發(fā)電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)方案的風(fēng)電機(jī)組較雙饋型機(jī)組有維護(hù)性好、效率高、容量大等優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組配置的是全功率背靠背型風(fēng)電變流器[7-8]。

直接電流矢量控制技術(shù)是一種較為先進(jìn)的矢量控制技術(shù)[9-11]。文獻(xiàn)[9-10]將其應(yīng)用到了永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的控制器中，但是主要圍繞變流器機(jī)側(cè)的控制，并沒(méi)有應(yīng)用到變流器網(wǎng)側(cè)。文獻(xiàn)[11]將其應(yīng)用到了高壓柔性直流輸電中的電壓源型逆變器控制中，但局限于并網(wǎng)逆變器控制。相對(duì)于傳統(tǒng)矢量控制策略，直接電流矢量控制顯示了許多優(yōu)點(diǎn)，如增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和效率等。對(duì)于將直接電流矢量控制技術(shù)同時(shí)應(yīng)用到全功率背靠背風(fēng)電變流器的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)，目前鮮有文獻(xiàn)，考慮到可能對(duì)風(fēng)電機(jī)組的整體控制性能有提升，因而有必要開(kāi)展相關(guān)研究。

本文首先介紹了PMSG系統(tǒng)的整體架構(gòu)、控制器層級(jí)結(jié)構(gòu)及功能需求，然后針對(duì)風(fēng)電變流器機(jī)側(cè)，介紹了風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，引出了傳統(tǒng)矢量控制方法，在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型的機(jī)側(cè)直流電流矢量最優(yōu)控制器。類似的，對(duì)變流器網(wǎng)側(cè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了介紹，引出了傳統(tǒng)矢量控制方法后設(shè)計(jì)了新型的網(wǎng)側(cè)直流電流矢量最優(yōu)控制器。最后基于仿真軟件搭建了仿真模型，進(jìn)行了仿真計(jì)算，以傳統(tǒng)控制和新型控制對(duì)比的方式進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制架構(gòu)

如圖1所示，永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組主要由三部分組成：風(fēng)機(jī)、PMSG和風(fēng)電變流器[12]。在風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，葉片受風(fēng)，捕獲風(fēng)能，然后傳送到發(fā)電機(jī)。PMSG則將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，然后通過(guò)一個(gè)背靠背結(jié)構(gòu)的風(fēng)電變流器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換并輸送至電網(wǎng)。風(fēng)電變流器可以細(xì)分為機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)兩部分，均采用脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)控制，然后中間還有一個(gè)直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)[12-13]。

圖1 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的控制架構(gòu)

從圖1還可看出，風(fēng)電機(jī)組的控制器可以劃分為三個(gè)層次，分別是PMSG控制層、風(fēng)電機(jī)組控制層及系統(tǒng)控制層[13]。在PMSG控制層，傳統(tǒng)的控制策略通過(guò)機(jī)、網(wǎng)側(cè)dq解耦矢量控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常機(jī)側(cè)控制目標(biāo)為控制PMSG實(shí)現(xiàn)最大的風(fēng)能捕獲，而網(wǎng)側(cè)則控制直流電壓穩(wěn)定，同時(shí)根據(jù)需求向電網(wǎng)輸出有功功率和無(wú)功功率。在風(fēng)電機(jī)組控制層，主要是由轉(zhuǎn)速控制器和功率限制控制器構(gòu)成。在風(fēng)速較低時(shí)，轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)最大風(fēng)能捕獲原理，給變流器機(jī)側(cè)一個(gè)功率或轉(zhuǎn)矩的參考值。功率限制控制器通過(guò)增加或減小風(fēng)機(jī)葉片的槳距角來(lái)防止風(fēng)機(jī)在高風(fēng)速時(shí)超過(guò)額定功率運(yùn)行。在系統(tǒng)控制層，電網(wǎng)根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)整個(gè)風(fēng)電廠全部機(jī)組的功率分配進(jìn)行調(diào)整，中央控制器發(fā)出基準(zhǔn)功率信號(hào)給每個(gè)機(jī)組，然后每個(gè)機(jī)組根據(jù)基準(zhǔn)信息進(jìn)行功率自調(diào)節(jié)。

2 風(fēng)電變流器機(jī)側(cè)控制策略

2.1 發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

通常描述PMSG的動(dòng)態(tài)方程為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換下的dq軸微分方程，具體的數(shù)學(xué)模型為[14]

(1)

式中：Rs——發(fā)電機(jī)定子電阻;

ωe——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電角速度；

usd、usq、isd、isq、ψsd、ψsq——dq坐標(biāo)系下的發(fā)電機(jī)定子電壓、電流和磁鏈。

如果d軸沿轉(zhuǎn)子磁鏈位置定向，定子磁鏈方程為

(2)

式中：Lls——定子繞組的漏感；

Ldm、Lqm——dq坐標(biāo)系下的電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的互感；

ψf——永磁體產(chǎn)生的固定磁鏈。

發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(3)

其中：p——極對(duì)數(shù);Ld=Lls+Ldm;Lq=Lls+Lqm。

對(duì)于穩(wěn)態(tài)條件，式(1)可以化簡(jiǎn)為

(4)

通常對(duì)于多極式表面貼裝式永磁同步電機(jī)，有Ldm=Lqm，同時(shí)定子電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，因此對(duì)發(fā)電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后可以得到[14-15]：

(5)

(6)

2.2 風(fēng)機(jī)模型

風(fēng)機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能是由風(fēng)速立方規(guī)律的方程決定的[16]：

(7)

(8)

式中：Pw——風(fēng)機(jī)輸出功率;

ρ——空氣密度;

A——葉片受風(fēng)面積;

Cp——功率系數(shù);

β——槳距角;

νw——風(fēng)速;

λ——葉尖速比(Tip Speed Ratio,TSR);

Rbl——槳葉半徑;

ωm——轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。

對(duì)于給定的β，則存在一個(gè)最優(yōu)λ使得Cp最大。這就是風(fēng)機(jī)的最大功率捕獲(Maximum Power Point Tracking，MPPT)原理，具體如式(9)所示。

(9)

對(duì)于直驅(qū)機(jī)組，變速比ngear為1，而轉(zhuǎn)矩方程為

(10)

式中：τw——風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩;

Jeq——等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

Ba——主動(dòng)阻尼系數(shù)，代表了風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械損耗。

2.3 機(jī)側(cè)傳統(tǒng)矢量控制

對(duì)于變流器機(jī)側(cè)，傳統(tǒng)的矢量控制策略是一個(gè)dq軸雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)較快，轉(zhuǎn)速外環(huán)響應(yīng)較慢。具體如圖2所示[12]。

圖2 變流器機(jī)側(cè)的傳統(tǒng)矢量控制結(jié)構(gòu)

其中q軸實(shí)際上控制了轉(zhuǎn)矩，即功率。從式(1)和式(2)可以推導(dǎo)出電流環(huán)的控制方程：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

2.4 機(jī)側(cè)直接電流矢量控制

變流器機(jī)側(cè)的直接電流矢量控制也是一種嵌套式閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，具體如圖3所示。其控制結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)部分：(1)轉(zhuǎn)速控制輸出電流參考值；(2)直接電流矢量控制部分；(3)電流控制輸出電壓參考值。

圖3 變流器機(jī)側(cè)的直接電流矢量控制結(jié)構(gòu)

首先，根據(jù)式(10)，設(shè)計(jì)一個(gè)速度閉環(huán)控制器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩跟蹤控制。由式(5)可知，速度控制器輸出一個(gè)定子q軸電流參考，而d軸電流參考設(shè)置為零，即實(shí)現(xiàn)最小定子電流控制。

其次，根據(jù)式(15)對(duì)電流參考限幅后輸出到電流內(nèi)環(huán)控制器。在電流內(nèi)環(huán)控制器設(shè)計(jì)中，快速性非常重要，以確保同步發(fā)電機(jī)的高運(yùn)行性能，減小定子電流諧波和不平衡。雖然直接轉(zhuǎn)矩控制已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[15]，但依然存在一些缺點(diǎn)，例如較低的電能質(zhì)量，主要是取消電流內(nèi)環(huán)控制器導(dǎo)致的[18]。但是，不同于傳統(tǒng)矢量控制策略，基于dq軸電流誤差信號(hào)輸出dq軸電壓，直接電流矢量控制策略是一種電流調(diào)節(jié)機(jī)制，dq軸電流環(huán)輸出的是電流，輸入電流誤差信息實(shí)際上是告訴控制應(yīng)該調(diào)整多少電流，而這是一種自適應(yīng)調(diào)整。

(16)

(17)

3 風(fēng)電變流器網(wǎng)側(cè)控制策略

3.1 變流器網(wǎng)側(cè)數(shù)學(xué)模型

變流器網(wǎng)側(cè)包括直流側(cè)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、逆變器和交流輸出濾波環(huán)節(jié)。其數(shù)學(xué)模型一般也采用經(jīng)典的dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換下的解耦模型，動(dòng)態(tài)主要是由濾波器無(wú)源元件的動(dòng)態(tài)構(gòu)成。具體的模型描述如式(18)所示[9]。

(18)

式中:ωs——電網(wǎng)電壓的電角頻率;

Lf、Rf——輸出濾波器參數(shù);

ud、uq、ud1、uq1——網(wǎng)側(cè)端口電壓和輸出電壓的dq軸分量;

id、iq——輸出電流的d軸和q軸分量。

在dq坐標(biāo)系下的瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的表達(dá)式，以及穩(wěn)態(tài)下的有功無(wú)功功率表達(dá)式為[7]

(21)

3.2 網(wǎng)側(cè)傳統(tǒng)矢量控制

如圖4所示為變流器網(wǎng)側(cè)的傳統(tǒng)矢量控制框圖，類似于機(jī)側(cè)。傳統(tǒng)的矢量控制策略是一個(gè)dq軸雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)較快，外環(huán)響應(yīng)較慢[13]，其中d軸電流環(huán)對(duì)應(yīng)直流電壓外環(huán)，q軸電流環(huán)對(duì)應(yīng)電網(wǎng)電壓外環(huán)，主要是無(wú)功補(bǔ)償和電壓支持控制。具體的電流環(huán)可以通過(guò)重新寫式(18)得到。

(22)

(23)

式(22)和式(23)中的括號(hào)內(nèi)為dq軸的狀態(tài)方程，而式中其他項(xiàng)為補(bǔ)償分量。該控制策略假設(shè)了ud1對(duì)iq沒(méi)有影響，同時(shí)uq1對(duì)id沒(méi)有影響。

圖4 變流器網(wǎng)側(cè)的傳統(tǒng)矢量控制結(jié)構(gòu)

(24)

(25)

(26)

3.3 網(wǎng)側(cè)直接電流矢量控制

網(wǎng)側(cè)直接電流矢量控制框圖如圖5所示。其控制結(jié)構(gòu)主要包括：直流穩(wěn)壓控制和無(wú)功功率控制轉(zhuǎn)換到具體的d和q軸電流控制；直接電流矢量控制部分；電流控制輸出電壓參考值。

圖5 變流器網(wǎng)側(cè)的傳統(tǒng)矢量控制結(jié)構(gòu)

(27)

(28)

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證前述新型控制策略的有效性，基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建了永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，具體的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

圖6 新型控制下的最大功率跟蹤和無(wú)功功率輸出

圖6所示為在新型控制策略下的風(fēng)機(jī)最大功率跟蹤和無(wú)功功率控制性能。在t=8 s之前，風(fēng)速為7 m/s，在t=8 s時(shí)，風(fēng)速?gòu)? m/s上升至9 m/s，然后當(dāng)t=14 s時(shí)，風(fēng)速?gòu)? m/s下降至8 m/s。無(wú)功功率參考值的變化為，在t=6 s之前，無(wú)功功率參考為0 kvar，在t=6 s時(shí)，上升至200 kvar，當(dāng)t=11 s時(shí)，參考值上升至500 kvar，當(dāng)t=17 s時(shí)，參考值下降至300 kvar。圖6(a)所示為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線。從圖6(a)中可看出，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化。圖6(b)所示為風(fēng)電機(jī)組的有功功率曲線和無(wú)功功率曲線。從圖6(b)中可看出，機(jī)組的輸出有功功率曲線基本接近在不同風(fēng)速下最大功率曲線，而無(wú)功功率曲線基本滿足了無(wú)功參考值的需求，同時(shí)在無(wú)功功率參考值發(fā)生變化時(shí)能夠迅速做出調(diào)整，達(dá)到目標(biāo)值。圖6(c)所示為變流器機(jī)側(cè)dq軸電流波形，q軸電流對(duì)應(yīng)有功功率，其變化與風(fēng)速變化正相關(guān)，d軸電流基本保持不變。圖6(d)所示為變流器直流側(cè)電壓波形，在風(fēng)速增大時(shí)，機(jī)側(cè)能量注入到直流側(cè)，直流電壓有升高，但是在控制器作用下很快恢復(fù)到穩(wěn)定值;同理在風(fēng)速降低時(shí)，機(jī)側(cè)能量注入減小，直流電壓降低，但在控制器作用下很快恢復(fù)到穩(wěn)定值，整體直流電壓波動(dòng)較小，在30 V以內(nèi)。圖6(e)和圖6(f)所示為變流器網(wǎng)側(cè)dq軸電流和電壓波形，當(dāng)t=11 s時(shí)，無(wú)功功率參考變?yōu)?00 kvar，變流器網(wǎng)側(cè)控制器進(jìn)入到PWM非線性區(qū)，因此轉(zhuǎn)換到最優(yōu)控制模式，以維持直流電壓，同時(shí)輸出盡可能多的無(wú)功功率。在t=14 s時(shí)，隨著風(fēng)速?gòu)? m/s降低到8 m/s，變流器機(jī)側(cè)到網(wǎng)側(cè)的有功功率下降，從而網(wǎng)側(cè)控制器做出優(yōu)化調(diào)整，可以輸出更多的無(wú)功功率，如圖6(g)和圖6(h)所示。在t=17 s時(shí)，無(wú)功功率參考值降低到300 kvar，網(wǎng)側(cè)控制切換到正常控制模式，切換過(guò)程平滑，控制性能得到了驗(yàn)證。

與之前工況相同，對(duì)傳統(tǒng)矢量控制方法的性能進(jìn)行了仿真分析，具體的仿真計(jì)算結(jié)果如圖7(a)～圖7(h)所示。從圖7(d)中可以看出，在t=8 s，風(fēng)速?gòu)? m/s上升至9 m/s時(shí)，在傳統(tǒng)矢量控制作用下，直流母線電壓的波動(dòng)要明顯高于新型控制策略。在t=11 s時(shí)，無(wú)功功率參考變化到500 kvar，網(wǎng)側(cè)控制器達(dá)到了PWM飽和點(diǎn)，因此控制器按照式(25)進(jìn)行運(yùn)算執(zhí)行，使得機(jī)側(cè)功率到直流側(cè)后難以順利傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，造成了直流電壓的劇烈波動(dòng)，包括后續(xù)運(yùn)行的不穩(wěn)定，包括網(wǎng)側(cè)電壓電流的波動(dòng)，如圖7(d)～圖7(f)所示。因此，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示新型控制策略具有明顯的控制性能上的優(yōu)勢(shì)。

圖7 傳統(tǒng)控制下的最大功率跟蹤和無(wú)功功率輸出

5 結(jié) 語(yǔ)

本文圍繞永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的新型直流電流矢量最優(yōu)控制策略進(jìn)行相關(guān)研究。基本研究思路是在機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)傳統(tǒng)矢量控制的基礎(chǔ)上，針對(duì)其設(shè)計(jì)上的考慮不足，改進(jìn)了控制結(jié)構(gòu)，并根據(jù)最優(yōu)控制原理，引入了非線性約束后得到了新型的直流電流矢量最優(yōu)控制策略。基于MATLAB/Simulink仿真軟件搭建了數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真計(jì)算和驗(yàn)證。現(xiàn)總結(jié)主要結(jié)論如下：

(1) 應(yīng)用本文提出的新型直接電流矢量最優(yōu)控制策略，永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組能夠很好地適應(yīng)風(fēng)速的變化，穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲和直流穩(wěn)壓控制。

(2) 仿真計(jì)算結(jié)果表明，與傳統(tǒng)矢量控制對(duì)比，新型控制策略能更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)組到電網(wǎng)的能量輸送，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

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Direct Current Vector Optimal Control for Permanent Magnet Direct-Driven Wind Turbines*

LIMeng

(Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College, Huaian 223000, China)

Direct-driven permanent magnet synchronous generator wind power system with traditional vector control strategy has serval advantages, such as simple algorithm, and reliable implementation.However, there are also slow dynamic response and control link coupling problem.Aiming at it, a direct current vector optimal control for direct-driven permanent magnet synchronous generator wind power system was proposed.The new control strategy was based on traditionaldqvector control method.In order to achieve the maximum power point tracking and reactive power control and grid voltage support, the traditional vector control structure was slightly modified, and the nonlinear constraint was introduced with the optimal control theory, and then the new controller was applied to both the generator side and grid side of the wind power converter.In order to verify the validity of the proposed method, the simulation model of the wind power system was built with MATLAB/Simulink platform, and the traditional vector controller and the new controller was simulated and compared.The results showed that, using new type of direct current vector optimal control, the control performance was significantly superior to the traditional vector control.

wind power; permanent magnet synchronous generator; direct-current vector control; optimal control; DC-link voltage control

淮安市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(HAG2015018)；淮安市應(yīng)用研究與科技攻關(guān)(農(nóng)業(yè))計(jì)劃(HAN2014037)

李 萌(1984—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化和新能源發(fā)電。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)03- 0022- 08

2016 -07 -11