基于RT-LAB兆瓦級PMSG實時仿真及最大功率跟蹤

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

近些年，風電作為一種清潔、綠色的可再生能源，在國內外得到了快速發展[1]。但由于風具有爆發性、間歇性、瞬時性，這使得風力發電系統很難充分的獲取風能。因此，研究風力發電系統最大功率跟蹤對于系統實現最大風能捕獲具有重要意義。

目前，對風力發電系統最大功率點跟蹤[2-3](MPPT)的研究大多只進行了全仿真分析，不能真實反映風力發電系統最大功率點跟蹤的實況，而且，這樣分析研究會顯得過于理想，直接在真實系統中應用可能帶來很大風險。另外，由于永磁直驅風力發電機多為幾兆瓦，在對其進行穩定性分析時，很難進行真實系統的實驗。

隨著計算機技術的快速發展，實時仿真技術成為電力系統仿真研究的一種新手段，它結合了數字仿真和物理仿真的優點，被應用于新能源并網、微電網運行及控制等領域的研究[4-5]。相比于其他實時仿真實驗平臺，RT-LAB半實物仿真平臺可以實現與MATLAB/Simulink完全兼容，可以直接將利用MATLAB/Simulink建立的動態系統數學模型應用于實時仿真、控制、測試的各個環節。RT-LAB實時仿真平臺可以通過I /O口與外部硬件相連接，實現風電控制器的硬件在環，并可以模擬真實系統實時仿真過程中的在線調參，便于分析系統的動態過程。因此RT-LAB半實物平臺為建立永磁直驅風力發電機模型提供了非常有效的技術手段。

本文對風力發電系統的最大功率點跟蹤(MPPT)進行了研究。基于RT-LAB實時仿真平臺搭建了2.5MW直驅式永磁風力發電系統仿真模型，對不同風速條件下，直驅式永磁風力發電系統工作情況進行了實時仿真實驗，根據實驗結果分析了不同風速下最大功率跟蹤的特性。

2 兆瓦級直驅式永磁同步風力發電系統組成

本文以2.5MW直驅式永磁同步風力發電系統作為研究對象，如圖1為PMSG系統主電路拓撲。

圖1 永磁直驅同步風力發電系統

從圖1可知，永磁直驅風機機組有風機模型、風力機模型、永磁同步發電機、全功率變頻器、風力機組控制系統、變槳偏航執行機構以及電網等部分組成[6]。

其中風力機主要將風能轉化為機械功率，永磁同步發電機將機械功率轉換為電功率。風力機組控制系統、變槳偏航執行機構主要實現風機的控制，實現不同風速水平下最大功率點跟蹤以及額定功率的輸出。

3 基于RT-LAB的風力發電系統建模

半實物仿真又稱硬件在環仿真，RT-LAB仿真平臺是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一套半實物實時仿真平臺系統，采用CPU+FPGA的硬件架構。通過RT-LAB，可以直接將利用MATLAB/Simulink建立的動態系統數學模型應用于實時仿真、控制、測試以及其它相關領域。

本文在MATLAB/Simulink環境中建立永磁直驅風力發電機系統模型，結合硬件在環作為研究平臺。根據RT-LAB半實物仿真平臺建立模型的要求，將建立的永磁直驅風力發電系統模型劃分為兩個子系統：SM_Type4Turbine和SC_display子系統，如圖2所示。

SM_Type4Turbine為主(Main)子系統，負責模型和外部信號的解算，包含信號輸入輸出端口、PMSG模型等。SC_display為控制臺子系統，與主子系統異步運行，負責對主子系統的實時監控。

圖2 PMSG系統實時仿真模型頂層子系統

3.1 PMSG模型

在RT-LAB仿真平臺中建立了永磁直驅風力發電機組仿真模型，如圖3為直驅永磁式風力發電控制模型，部分參數如表1所示。

表1 PMSG參數

4 直驅式永磁風力發電機最大功率跟蹤控制

如等式(1)所示，為了控制捕獲的機械T功率，在給定風速下，唯一的可控項是功率系數，公式(2)為功率系數：

(1)

(2)

功率系數特性如圖4所示。從該圖中可以看出，不同的功率系數曲線對應于不同的漿距角。對于每種情況，存在最佳葉尖速比，其有助于峰值功率系數值，其進而導致最大功率捕獲。

當風速值較低時，因葉尖速比與漿距角相關，所以通過實時調節漿距角，使其能夠跟蹤風速的變化，使風機運行在最優葉尖速比，實現最佳利用系數，從而獲取最大化輸的出功率，如圖5所示。

當風速超出額定風速時，風機進入控制變槳階段。此階段需要風機工作在額定功率輸出，通過漿距角控制，使發電機轉速保持在額定轉速附近，使風機工作在額定功率輸出，如圖6所示。

圖3 直驅永磁式風力發電控制模型

圖4 葉尖速比

圖5 漿距角控制

圖6 最大功率跟蹤控制

5 基于RT-LAB實時仿真與結果分析

為了驗證變化對風機運行的影響，在RT-LAB中仿真測試了切入風速和額定風速的運轉情況，如圖7所示。

如圖7為衰減到1/300的風機輸出電流波形，在仿真結果中可以看出，根據不同的風速水平，系統性能具有不同的特點，其如下：

(1)風速為3m/s：風速已進入切入速度，這意味著所產生的電功率足以補償內部功耗損耗。因此，風力渦輪機開始旋轉，并且PMSG開始產生電力，輸出功率持續，單輸出功率相對較小，隨著風速的增加，電磁轉矩和發電量會逐漸增加，此時輸出電流為600A。

圖7 PMSG輸出電流Iabc的波形

(2)風速為10m/s：風機進入額定風速。經過控制系統控制，系統進入穩定狀態，風機工作在額定功率，實現了最大功率跟蹤。在穩態下，可以計算發電機轉速，電磁轉矩和發電量的理論值，以驗證仿真結果。此時系統功率持續，輸出電流為3900A。

(3)風速超出25m/s：由于風速不斷增加，超過切出風速，對系統上的電氣和機械應力構成威脅，系統停機，輸出功率為零。

6 結論

本文對風力發電系統最大功率點跟蹤(MPPT)進行了研究，搭建了基于RT-LAB實時仿真平臺2.5MW直驅式永磁風力發電系統仿真模型，對不同風速條件下，直驅式永磁風力發電系統工作情況進行了實時仿真實驗，根據實驗結果分析了不同風速下最大功率跟蹤的特性，研究結果表明：基于RT-LAB建立的2.5MW永磁直驅風力發電系統實現了最大功率跟蹤。