直驅永磁同步風力發電系統功率控制策略研究

陳西海

(中廣核新能源吉林分公司，吉林 白城 137000)

0 引言

伴隨著科學技術的不斷發展，直驅永磁同步風力發電系統受到了廣泛關注，能在實現閉環調節控制的同時，建立變槳距控制發電系統應用模式，能為清潔能源技術應用和輸出功率平滑優化創設良好的平臺。

1 直驅永磁同步風力發電系統概述

1.1 技術發展現狀

交流勵磁雙饋發電機和直驅永磁同步發電機是大功率風力發電體系中的關鍵技術組成部分，而交流勵磁雙饋發電機最大的弊端就在于，風力設備和發電機之間要利用齒輪箱完成連接，而大功率、大容量的齒輪箱造價較為高昂，加之維護成本較大、故障率較高，使得交流勵磁雙饋發電機的技術發展遭遇了難題。而直驅永磁同步發電機不僅能實現變速運行，還能配合變槳距調解處理而提升效率，因此，其推廣范圍在逐步擴大。

1.2 組成

按照控制系統對直驅永磁同步發電機進行分析，其主要有3個系統，如表1所示。

表1 直驅永磁同步發電機系統

按照零件劃分，直驅永磁同步發電機主要包括風機、直驅永磁發電機、不控整流、boost電路、直流側儲能電容以及PWM逆變器和交流側濾波電抗器。應用不控整流電路，是因為其結構模式較為單一，且功率因數較高，而boost電路能實現最大功率點跟蹤控制，借助PWM逆變器完成并網控制以及對應功率參數的解耦處理，就能保證諧波輸出的穩定性，有效降低網側電流的畸變率，并且將開關頻率設定為低于二電平變流器，減少開關損耗，最大程度上優化其運行效果[1]。

1.3 功率特性

依據直驅永磁同步發電機組轉矩傳輸的機械結構特征可知，若是在實際應用過程中，不計量風力機旋轉軸承的機械損耗以及定子電樞繞組的電阻損耗，風力機的實際輸出機械轉矩和直驅永磁同步發電機輸出的電磁轉矩是相同的。即在理想狀態下，風力機和直驅永磁同步發電機機械特性、功率特性能保持相同水準。

直驅永磁同步發電機電磁轉矩曲線(見圖1)中電磁轉矩和轉速之間存在一定的關聯性。在轉速逐漸增大的情況下，直驅永磁同步發電機電磁轉矩先增大，到最大電磁轉矩點M后隨著轉速增大逐漸降低。而在特性曲線(見圖2)中，在最大功率點M左邊輸出功率的增量和發電機側變流器占空比增量呈現出的是正比例關系，在M點位置占空比為零，對應的情況下，當驅永磁同步發電機電磁轉矩和轉速呈反比的情況下，輸出功率會隨著占空比量的增加而逐漸降低[2]。

圖1 直驅永磁同步發電機轉矩特性曲線

圖2 功率特性曲線

2 直驅永磁同步風力發電系統功率控制策略

2.1 網側變流器控制

在網側變流器控制環節中，要將維持直流母線電壓參數的恒定數值作為關鍵，確保其能有效且穩定地實現電網有功功率的傳輸處理。與此同時，有效借助無功電流環對網側變換器予以控制，建立無功功率的輸出處理，確保電網對無功功率的要求得以滿足。

1)要設定三相電網的電壓參數和網側線路總電阻，并且，設定Em表示相電壓峰值、ω表示電網角頻率，進行旋轉坐標系后就能獲取對應的數學模型：

式中，ud表示的是逆變器輸出電壓在旋轉坐標系內d軸的電壓、uq表示的是逆變器輸出電壓在旋轉坐標系內q軸的電壓。id表示的是逆變器輸出電壓在旋轉坐標系內d軸的電流、iq表示的是逆變器輸出電壓在旋轉坐標系內q軸的電流。ed表示的是同側電壓在旋轉坐標系內d軸的電壓、eq表示的是同側電壓在旋轉坐標系內q軸的電壓[3]。

2)利用電網電壓合成矢量定向控制的方式，設定ed和Em相等、eq=0，將其帶入數學模型，忽略平波電抗器的電阻，就能獲取最終的數值，實現d軸和q軸電流分量的解耦控制，也就完成了電流有功分量和電流無功分量的解耦處理。

3)正是基于經典的d軸和q軸解耦操作，配合簡化的矢量控制，就能完成電網電流分量的處理，與此同時，配合電流PI調節器建立閉環控制模式，確保給定數值能在逆變側輸出電壓處理后，配合SVPWM控制逆變器輸出三相電壓。

2.2 boost電路控制

Boost升壓電路是非常常見的基本斬波電路之一，配合開關直流升壓電路，就能有效實現輸出電壓高于輸入電壓，從而為直流電源應用處理予以控制。在直驅永磁同步風力發電系統功率控制工作中，boost電路也具有重要的應用價值。在風輪機實際運行過程中，結合空氣力學的相關運行原理可知，分輪機自身輸出功率為P=CpρAv3/2，其中，P表示的是整個風機實際的輸出功率、ρ代表的是所處環境下空氣的密度、A表示的是風機轉輪旋轉過程的掃掠面積、v表示所處環境的風速、Cp表示風輪功率系數。結合公式可知，不同轉速環境下，風力機設備的實際輸出功率會有所差異，要想獲取最大風能就要在變化過程中對轉速予以實時性調控，以確保葉尖速比能滿足實際應用要求。

2.2.1 基于典型運動的調節控制

1)在低風速環境中進行變速運行控制，首要條件是維持恒定的風輪功率系數，對轉速予以調節的同時，保證轉速達到運行極限，配合最佳功率曲線要求，就能獲取發電機組最高轉速效率。

2)若是風力機處于額定轉速環境，但是風速在不斷變化，此時，就要調整轉速獲取最佳風輪功率系數，確保風力機能滿足最大功率輸出要求。

3)若是在高于額定風速的環境下運行，那么就要借助變槳距系統對槳葉間距予以調控，從而限制風力機獲取對應的能量，確保能逐漸趨于輸出功率的極限并穩定運行。

2.2.2 基于占空比的調節控制

在恒壓控制狀態下，續流電感電流參數就會直接影響直驅永磁同步風力發電系統功率參數，因此，要利用對應的處理方式完成相應工作，確保雙閉環控制系統運行的合理性。即建立速度外環和電流內環并行的處理工序，確保最大功率曲線狀態下獲取最優轉速，將其設定為整定數值，配合發電機調節轉速過程，并應用PI調節器進行續流電感電流的計算分析，從而獲得有效的控制結果。

另外，還可以借助轉速調節發電機的槳距角，有效實現變槳距調控處理，保證控制流能滿足控制算法的具體標準，維持調節控制的合理性。

2.3 效果

應用boost控制和網側變流器并行的控制處理模式，在低速運行狀態下，有功功率會隨著發電機轉速的變化呈現出較為理想的調控狀態，實現最大風能捕捉。而在高速運行環境下，有功功率較為穩定，始終在額定功率參數附近，并且配合槳距角風速作用下的及時性調整，也能完成功率的解耦控制，效果較好。

3 結語

在直驅永磁同步風力發電系統功率控制工作中，要明確控制要求和內容，確保分析比較的合理性和可控性，發揮網側變流器應用效能，配合boost控制和變槳距控制模式，就能有效提升能源轉換效率。