直驅永磁同步風力發電系統的研究

張 蔚，王 岳，楊 奕

ZHANG Wei1,2, WANG Yue3, YANG Yi2

(1.南通大學 杏林學院，南通 226019；2.南通大學 電氣工程學院，南通 226019；3.江蘇通達動力科技股份有限公司，南通 226019)

0 引言

在直驅永磁同步風力發電系統中，永磁同步發電機系統不需要勵磁裝置，具有重量輕、效率高、功率因數高和可靠性好等優點。轉子上取消了勵磁繞組，磁極結構簡單，可以做成多極電機，同步轉速降低使風輪機和永磁發電機可直接耦合，省去了風力發電系統中的齒輪增速箱，減小了發電機的維護工作并降低了噪聲，使直驅永磁風力發電機系統從眾多變速恒頻風力發電系統中脫穎而出，具有很好的發展前景。由于永磁同步發電機輸出的交流電由不可控整流后,經電容濾波,再經逆變器將能量送給電網。當風速較低時,直流電壓會很低, 過低的直流電壓將引起電壓源逆變器無法完成有源逆變過程,進而無法將功率饋入電網。為了最大限度地利用風能,使直驅永磁發電機系統工作在一個較寬風速范圍內,得引入DC-DC Boost升壓斬波電路。交錯并聯Boost電路能夠在開關頻率較低的情況下獲得較小的輸入電流紋波與輸出電壓紋波，同時還能夠降低開關損耗，成倍增加輸出功率的等級減少單個電感的容量，在具有良好校正效果的前提下，可大幅度減少整個功率電路的成本。因此，交錯并聯Boost非常適合用于大電流、高功率的應用領域，較大功率開關電源及直驅型風力發電系統中的直流升壓部分[1～4]。本文采用三相交錯并聯Boost電路對直驅永磁同步風力發電系統進行最大功率跟蹤控制，并基于TMS320F2812搭建了實驗室硬件平臺,對風力發電系統進行相關實驗驗證。

1 風力機特性

風力機把風能轉化為機械能是一個復雜的空氣動力學過程，很難精確描述它。為了研究需要，人們設計了一種簡單的模型來描述風力機的特性，它反映了風速與風力機從風中吸收功率的關系，如公式（1）—（4）所示。風力機的功率系數CP反映了風力機吸收利用風能的效率，它隨風速、風力機轉速以及風力機葉片參數如功角和槳距角等而變化。當風速變化時，可通過調節式(2)中的比值就可以得到最佳葉尖速比，即可得到Cpmax，從而達到最大風能捕獲[3]。

式中， P ——通過風輪掃掠面積風的功率，單位為W；

ρ——空氣密度，單位為kg/m3；

R ——風輪半徑，單位為 m；

v ——實際風速，單位為m/s；

CP——風力機的功率系數；

ω——風力機旋轉的角速度；

λ——葉尖速比。

風力機的功率可以由風力機的轉矩與旋轉角速度的乘積來表示，其關系為：

P=Tω

根據式(1)可以推導出風力機輸出轉矩與風速和轉速之間的關系

式中，T 為轉矩，單位為N m；

CT=CP/λ為反映轉矩大小的系數。根據式(1)和式(5)可以知道，風力機的最大功率和最佳轉矩分別與轉速的三次方和二次方成正比，風力機特性曲線如圖1和圖2所示。

圖1 風力機功率—轉速曲線

圖2 風力機轉速—轉矩曲線

2 直驅永磁同步風力發電系統

2.1 系統組成

該系統主要包括風力機、永磁同步發電機、DC/DC變換電路、DC/AC變換電路以及負載等組成。系統電路圖如圖3所示，其中DC/DC變換電路選擇三相交錯BOOST電路，DC/AC變換電路選擇三相電壓型逆變電路。通過對DC/DC、DC/AC變換器的控制，將永磁同步發電機發出的變頻變幅電壓轉化為恒頻恒幅電壓輸出。

圖3 直驅永磁同步風力發電系統電路結構

2.2 最大功率跟蹤的原理

最大功率追蹤算法是實現風能利用率最大化的優化算法，即在一定的風速條件下，通過對等效負載的調整，實現風力機轉速的調整變化，使得風力機運行在最佳葉尖速比曲線上，從而能夠及時地捕獲到隨機波動的最大風能，使風力發電機輸出功率最大，提高風能的利用率，實現系統的優化運行。

圖4 風力機轉速—功率曲線

圖4為風力機輸出功率與轉速特性曲線，由圖4可知，在某一固定轉速下，風速越大風力機輸出功率越大；風速固定時，風力機在特定轉速下才可以輸出最大功率，轉速過小或過大時，風力機輸出功率都會變小。圖4中實線為不同風速下風力機輸出最大功率的連線，也稱為最佳功率負載線。要在風速不斷變化時獲取最大風能，風力機必須始終跟蹤其最大功率點，使風力機在最佳葉尖速比下運行，輸出最大機械功率。

2.3 MPPT控制策略

傳統爬山算法，在跟蹤控制過程中，擾動步長過大時，不可避免地出現在最大功率點附近振蕩的現象，導致跟蹤的最大功率點與實際值相差很大，降低了風能轉換效率；擾動步長過小時，則會降低跟蹤的快速性。因此需要權衡準確性與響應速度，確定一種既可以減少最大功率點附近振蕩，又可實現準確和快速地跟蹤最大功率點的控制方法。本文采用改進的變步長爬山算法來實現最大功率跟蹤控制[4]，其控制流程圖如圖5所示。

圖5 改進的爬山算法流程圖

圖5中U(n)、I(n)、P(n)為測量和計算的永磁同步風力發電機的輸出電壓、電流和功率值，而P(n-1)為上次計算的發電機功率值，PZ為功率增量的基準值，M為步長，L為符號控制變量，d為初始占空比D(n)和D(n-1)分別為第(n)、(n-1)次的占空比。

2.4 逆變器控制策略

直接電流控制是一種電流跟蹤控制方式，通常采用電壓外環和電流內環的雙環控制模式。這類電流型控制技術是檢測電感電流或功率開關電流，并將它作為電流內環的反饋信號，然后將它與電壓外環的輸出信號(電流給定) 經比較器比較后去控制功率開關的占空比，使功率開關的峰值或谷值電流直接跟隨電壓反饋回路中誤差放大器輸出信號的變化。這種控制方式具有電流波形好、動態響應速度快、穩定性好和調節性能好等優點[5]。本文采用滯環電流跟蹤控制，其控制策略的系統原理圖如圖6所示。由相位檢測環節得到的同步信號與并網電流幅值給定一起送正弦波發生器，生成與電網電壓同頻同相的參考電流信號 ，再經滯環比較器對并網電流反饋信號 與 偏差進行調制得到開關管控制信號。

圖6 并網逆變器系統控制原理圖

3 系統仿真與實驗研究

3.1 基于三相交錯BOOST電路MPPT仿真研究

本文利用仿真軟件Matlab/Simulink對直驅永磁同步風力發電MPPT控制系統進行了建模與仿真研究。模型如圖7所示。仿真模型由風力機系統、發電機模型、三相交錯BOOST電路、MPPT控制算法模塊組成，其中風力機仿真參數為風力機額定功率5kW，葉片半徑為3.5m，最大風能利用系數為0.4，槳距角為0度，發電機額定功率為5kW，內阻為0.5Ω，d軸電感與q軸電感均為3mH，磁鏈大小為0.5Wb，極對數為7，直流側電感為2.3mH，濾波電容為2mF，負載為80Ω，負載濾波電容為470 uF。

圖7 直驅永磁風電系統仿真模型

風速的給定階躍信號在第2s從5m/s突變到8m/s，對系統進行仿真，仿真結果如圖8和圖9所示。從圖8占空比的波形圖中可知占空比在風速為5m/s時能夠保持在0.34附近，而當風速在8m/s時能夠保持在在0.53附近，波動很小，系統較為穩定。從圖9可以看出，輸出的功率波形平穩，而且跟蹤速度很快，在0.8s以內就能夠跟蹤到最大輸出功率。

圖8 占空比波形圖

圖9 風力機輸出功率

3.2 實驗結果

實驗系統如圖3所示，在實驗室中使用一臺6kW他勵直流電動機來拖動5kW的永磁同步發電機，通過直流電動機來模擬風力機，搭建了基于DSPTMS320C2812的實驗室硬件平臺，功率開關IGBT選擇三菱公司生產的IPM模塊型號為PM50RLA120。由于電網相電壓有效值為220V，為了系統逆變能得到220V交流電， 逆變器輸入電壓應為380V左右，逆變器開關頻率為20kHz，濾波電感為10mH。對該系統進行測試，實驗結果如圖10和圖11所示。圖10為直流側電壓波形，圖11為a相電壓與電流波形圖。實驗結果表明直流電壓波形比較平穩，逆變器輸出電流為穩定的正弦波，且與電網電壓相位相同，實現了單位功率因數電能傳送。

圖10 直流側電壓波形

圖11 逆變器輸出波形圖

4 結束語

本文采用改進的變步長最大功率跟蹤算法改變占空比對三相交錯Boost電路進行控制，采用滯環電流跟蹤控制對逆變器進行控制，使直驅永磁同步風力發電系統獲取最大功率，并實現近似單位功率因數并網運行。通過仿真與實驗研究證明了其控制策略的正確性與可行性。

[1] 閆耀民,范瑜,汪至中.永磁同步電機風力發電系統的自動優[J].電工技術學報,2004,17(6):82-86.

[2] 吳迪,張建文.變速直驅永磁風力發電機控制系統的研究[J].大電機技術,2006,(6):51-55.

[3] 劉其輝,賀益康,趙仁德.基于直流電動機的風力機特性模擬[J].中國電機工程學報,2006,(4):134-139.

[4] 李揚.永磁直驅風力發電系統的模擬仿真及MPPT方法研究[D].河北:燕山大學,2010.

[5] 李友紅,黃守道.風力發電系統中PWM并網逆變器的研究[J].電氣應用,2006,(10):63-65.