永磁同步風力發電機控制環節轉矩脈動問題綜述*

任鴻昌，王東瑞，張舒普，李子軒，杜雨欣

(沈陽工程學院 電力學院，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

在永磁同步風力發電機轉動的過程中，瞬時輸出轉矩隨時間不斷變化，但數值上基本保持在某一平均值的現象稱為轉矩脈動。這一現象普遍會使電機產生振動和噪聲,當振動頻率與電機固有頻率相同時還會導致電機產生磨損的共振現象。對于永磁風力發電機來說，轉矩脈動會影響風電系統運行的可靠性及使用壽命，是目前風力發電機亟待解決的一個重要問題。

由上述內容可以看出，轉矩脈動的大小是衡量電機性能的重要指標之一。在電機本體控制方面[1]，由于電流諧波作為風力發電機輸入的激勵源，在變流器的控制中又受到逆變器的死區時間以及開關管和導通管壓降等因素影響,使得電機流入的激勵電流中含有大量的高次電流諧波分量，這些因素會導致電機轉矩平滑度降低，從而進一步引起發電機輸入轉矩的不穩定。因此調整發電機的變流器控制策略，制定諧波抑制方案是解決問題的關鍵。目前風力發電機組尤其是大型風力發電機組，多數使用直驅式永磁發電機(D-PMSG)[2]，但是在這種系統的研究領域中對于轉矩脈動方面的研究相對于永磁同步電動機(PMSM)來說較少。隨著近年來國內風力發電系統容量的逐年升高，以及新能源互聯網和智能電網概念的流行，風力發電在國內能源產業的重要性逐步提高，因此針對目前風力發電機轉矩脈動抑制策略的研究較少且無互通性的這一不足，對永磁同步風力發電機轉矩脈動的生成原因與抑制策略進行研究具有重大的實際意義。本文忽略檢測誤差與風場環境兩方面客觀因素，通過分析轉矩脈動產生原因，從電機控制角度描述相關抑制措施。

1 永磁同步風力發電機轉矩脈動分析

1.1 分析策略

由于風力發電機變流器控制技術上的不足，使得其輸出轉矩存在較大的脈動，可能使風力發電系統發生共振，造成轉軸等結構損壞。而以往針對電機轉矩脈動的研究重點在PMSM的抑制策略與分析策略上，因此對于PMSG來說，可以根據二者數學模型的相關性將研究成果進行轉化。2013年萬中奇在文獻[3]中提出了PMSM與PMSG的不同點與轉化方法: PMSM處在電動狀況，功率流向是由機側變流器流向永磁電機，而PMSG處于發電狀態，其功率流向與此相反。因此在數學模型上，將PMSM模型中的電流值變成相反值便是PMSG的數學模型，便于完成兩種電機模型分析策略上的轉化。

1.2 諧波轉矩脈動

在永磁同步發電機控制方面，變流器所屬逆變器的結構通常為三相全橋逆變電路，在其中存在有死區時間，當電機利用變流器通過脈寬調制技術產生定子電流時，由于控制結構中開關器件的管壓降和死區時間的存在，使其發生失真，從而引發轉矩脈動[4]。這種情況在中壓大功率風電變流器中尤其明顯，由于功率器件開關頻率較低的影響，中壓大功率風電變流器表現出的電流諧波含量較傳統PMSG機側低壓變流器偏大，導致機組轉矩脈動較受低壓變流器控制的機組偏大。

目前PMSG一般使用DTC(直接轉矩控制)進行電機控制，通過只改變定子磁鏈的旋轉方向和速度的方式實時調整定轉子磁鏈夾角(轉矩角)大小。在控制過程中將電壓矢量作用于轉矩角和磁鏈幅值上，當轉矩角和磁鏈幅值的升降一致時，電磁轉矩的調節作用可以唯一確定；但在某些情況中，電壓矢量作用下的轉矩角與定子磁鏈幅值變化方向相反，這時電磁轉矩的調節因素需要采用開關表進行判定，即在一定范圍內忽略磁鏈幅值，將轉矩角作為唯一作用于電磁轉矩的調節因素。針對這種現象，2007年李耀華等[5]研究發現，在傳統DTC中，開關表判定全部條件下轉矩變化與轉矩角變化相同，而在定子磁鏈圓內，轉矩角占據主要作用的條件并不全都成立，使得電壓矢量的調節作用與實際不符，此時傳統開關表失效，導致選擇的電壓矢量對轉矩的作用與系統期望值相反，從而使輸出轉矩產生了不合理的波動性。此外，萬中奇在文獻[3]中實驗證明由于DTC的開關表只有6個有效矢量和零矢量，因此無法同時滿足電磁轉矩與定子磁鏈的條件，而且在矢量切換時也有較大的轉矩脈動。

除傳統控制技術因素外，在定子通入基波電流作為激勵源時，由于在實際中永磁同步發電機定轉子表面存在有開槽，其齒槽形狀、繞組分布不均，使得轉子永磁體磁鏈在氣隙圓周上呈非正弦狀態分布，從而在氣隙磁場中產生齒諧波磁場，這一系列諧波磁場可能包括分數次、偶數次、奇數次等。由于轉子磁勢不存在偶數次諧波和分數次諧波，因此只有奇整數次的定子諧波磁場才有可能與轉子諧波磁場極數相同，從而產生切向電磁力形成轉矩。又因為定子諧波磁場的轉速不是同步轉速，而轉子諧波磁場的轉速卻是同步轉速，因此在這種條件下，定子諧波磁場與轉子諧波磁場極數相同但轉速不同，導致定轉子之間的切向電磁力產生波動從而使轉矩產生波動[6]。

除上述兩種因素外，如圖1所示，在實際的大型風力發電機組環境中，當電網出現故障導致三相電壓不平衡時，也會導致定子電流發生畸變，從而使定子繞組產生轉矩脈動。

圖1 直驅式永磁同步發電系統

2 轉矩脈動抑制措施

對于PMSG本體控制設計來說,由于抑制諧波的控制算法一般只通過改進傳統矢量控制的速度環或者電流環來進行,因此,在不需要改裝硬件的條件下進行算法調制,對于降低轉矩脈動具有更大的實際意義。文獻[7]將算法調制主要分為以下三部分：①改變變流器載波比;②改變變流器載波調制方式;③改變d、q軸電感。

由于圖2結構中無法對交流電進行無差調節以及PMSG運行過程中氣隙磁場畸變和逆變器非線性因素的影響,文獻[9]針對電網電壓不平衡條件下的風力發電系統環境,對轉子側變流器設計了一種基于正負序分量的雙電流環矢量控制策略，以實現轉矩脈動的有效抑制。但是由于發電機轉矩脈動導致的有功功率脈動矩陣元素成分與無功功率脈動矩陣不同,故無法將兩者同時抑制，因此導致實際工程缺陷。文獻[10]提出速度反饋的質量和外速度環的慢動力學特性限制算法動態性能的觀點,并使用電流激勵來抑制諧波分量,驗證了迭代學習控制(Iterative Learning Control)的可行性,為抑制轉矩脈動提供了新的思路與方向。文獻[11]改進了傳統PMSG中的DTC控制，提出了一種基于模型預測(Model Prective Control)的DTC控制,通過引入預測算法,增加開關表的施加矢量，從而可以在單采樣周期內進行矢量切換, 改進傳統開關表每次只有一個固定的電壓矢量的問題,補償數字控制系統采樣與控制時延下的PMSG轉矩脈動。文獻[12]基于DTC控制提出了一種分段式以補償諧波電流為主的設計思路，對電源電流進行閉環控制，參考電流和實際電流經過電流控制器后輸出逆變器電壓參考值。然后，利用空間矢量調制(SVPWM)技術得到逆變器的開關信號，控制混合電力有源濾波器APF(Active Power Filter)進行諧波補償，但是分段式的補償方法造成了檢測時電流過零點誤差過大。

圖2 機側變流器控制結構

因此文獻[13]在文獻[12]設計思路的基礎上,研究了一種基于諧波注入抑制轉矩脈動的方法，設計了基于諧振調節器的前饋控制環節、諧波電壓注入和諧波提取的算法,完善了諧波注入的控制理論，避免了檢測時電流過零點誤差過大的問題。文獻[14]基于定子磁鏈圓,設計了一種具有6個有效電壓矢量的開關表，并提出兩種控制策略:①采用空間矢量調制-直接轉矩控制技術；②調整變流器電路拓撲結構,利用多電平技術產生更多電壓矢量，其控制策略理論上可生成任意相角的電壓矢量,從而可以在定子磁鏈圓部分區域內有效減小轉矩脈動。文獻[15]提出了一種主動零電壓矢量插入的控制策略,并在此基礎上將單神經元PID與傳統PID相結合，形成了一種適用于大型風力發電機組的轉矩脈動抑制方案,從而在獨立電機之外為大型機組提供了有效方案。

3 總結

通過綜合大量資料，本文從電機本體控制諧波電流脈動的角度出發進行探討和研究,在分析方面忽略檢測設備產生的測量數據脈動與風力發電系統所在風場的脈動因素。研究發現,針對電機控制角度電流諧波轉矩脈動所導致的PMSG轉矩輸出問題，變流器算法改善和電機本體設計方案改進具有可疊加性，主要為PI迭代算法設計、DTC控制以及諧波電流注入法等。通過對比傳統與現代的研究文獻可以看出,部分研究者在運用現代方法應對轉矩脈動問題上已經取得了重要突破,但上述方法在實時風速影響以及電流擾動和算法普適性方面仍存在不足[16]，需要在未來進行深入研究。隨著現代計算機CPU運算速度的提高、現代智能算法的進步以及相應控制理論的完善,未來的研究熱點和焦點將集中在如何運用現代科技理論通過智能設備與算法開發,多角度大范圍有針對性地解決脈動問題,尤其是采用多種抑制方案的結合[17]。現有的抑制方法與研究理論為后續研究者提供了新的思路,為高性能PMSG的發展提供了重要的參考,也為風力發電機組的高效運行提供了重要保障。