基于雙PWM協調控制的永磁風力發電系統研究

郭林杰，趙建勇

（1.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島266042；2.安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001）

當今世界，石化能源大量消耗，傳統能源資源面臨枯竭，能源短缺問題日益嚴重。改變能源結構，開發新能源已經刻不容緩。而風能便是各種新能源中應用最廣泛的一種[1]。

現代風力發電行業中，應用最廣泛的兩種變速恒頻發電系統分別為雙饋發電系統和永磁直驅風力發電系統。兩者中，雙饋風力發電系統由于變頻策略實現在轉子側，只需發電機容量的1/3左右，因此容量相對做得更大，但是該系統需要價格昂貴的增速齒輪箱，同時雙饋發電機含有容易損壞的滑環和電刷，使整個發電系統結構復雜，穩定性較差，發電效率受此影響難以提升。與其相比，永磁直驅風力發電系統則省去了齒輪箱裝置，結構相對簡單，控制較為容易。雖然變頻器容量相對較大，但是隨著電力電子技術的發展，變頻器容量也不再是一個明顯的瓶頸。而且永磁風力發電系統還具有較強的低電壓穿越能力，這是雙饋發電系統無法相比的[2-3]。從風力發電總體效益上考慮，直驅式永磁風力發電系統很有潛力，將成為未來幾十年的主流方案，所以本文選擇永磁風電系統作為研究對象。

1 拓撲結構基本原理

圖1為基于雙PWM拓撲結構的直驅永磁風力發電系統。風力機與永磁同步發電機同軸相連，發電機定子連接機側變流器，機側變流器和網側變流器均為IGBT反并聯續流二極管的三相橋電路，中間通過直流環節相連，網側變流器連接電網。

該系統變流環節可以看作雙P結構的交直交變頻器 ，但在控制上卻不相同。電路中PWM變流器可以分為兩部分。電機側變流器主要用于控制發電機轉速，使其跟隨風速的變化而變化來追蹤最佳風能（第3節中介紹），并且將發電機輸出的頻率和幅值變化的三相交流電整流成穩定的直流電；而網側變流器的作用則是穩定直流側母線電壓，并且將發電機輸出到直流側的電能轉換為頻率和幅值與電網相同的交流電饋入電網，此外，在電網電壓因為雷擊或者短路等故障導致電壓跌落時，網側變流器可以向電網輸送一定的無功功率支持網側電壓的穩定。

2 控制策略與控制結構

2.1 最大風能追蹤策略

風力發電系統在運行時主要有兩種狀態：額定風速以下運行和額定風速運行。額定風速以下時保持槳距角β=0，通過各種控制方式使發電機以最大功率運行；在達到額定風速或者超過額定風速時通過控制槳距角（變槳距）或者葉尖速比（定槳距）來降低風能利用系數Cp，限制風能的利用率，使風力機維持在額定功率運行。由于風電場中風速經常會低于額定風速，而最大風能跟蹤問題就是在此基礎上提出的[4]。

風力機吸收功率為：

其中，空氣密度ρ和風輪掃掠面積s為定值，當風速v變化時，影響風力機吸收功率Pm大小的只有風能利用系數Cp。

風能利用系數Cp與槳葉節距角β、葉尖速比λ有關。在最大風能追蹤過程中，β一般設置為0以保證風輪對風能的最大吸收。此時Cp便是一個只與λ有關的函數。

而葉尖速比λ滿足：

由式(2)可以看出，要使葉尖速比 λ 保持為 λopt（最佳葉尖速比），只要使風力機轉速ω與風速v比值不變即可。而直驅發電系統中風力機與發電機同軸相連，轉速相同。所以只要風速變化時控制發電機轉速相應變化便能實現風力機對風能的最大追蹤。這也是本文選用的最佳葉尖速比控制法。

此外還有爬山搜索法、功率信號反饋法等方法都可以實現最大風能追蹤。在此不再一一敘述。

2.2 控制結構

結合永磁同步發電機以及三相PWM變流器數學模型，對網側變流器采用基于電網電壓矢量定向的控制策略，機側變流器采用基于電機轉子磁鏈定向id=0矢量控制策略，設計出如圖2所示雙PWM協調控制結構圖。

當風力機達到切入風速后開始轉動，風速測量裝置測量到實際風速，根據得出此風速對應的最佳轉速參考值ωref，此值與實際測量得到的發電機轉速ω相比較，通過轉速PI調節器得到發電機定子電流的轉矩分量（有功電流）期望值，然后與實際有功電流iq比較（有功電流和無功電流通過坐標變換得到，其中角度θ由轉子位置角根據極對數計算得到），差值經過電流調節器，再經過電壓前饋補償得到發電機交軸參考電壓uq。在發電系統正常運行狀態下，電流環的無功電流（勵磁分量）給定設為 0，此值與實際無功電流相比較，差值經過無功電流調節器再加上前饋電壓補償得到發電機直軸參考電壓ud。uq、ud經過SVPWM調制得到電機側變流器主電路三相橋的六路驅動脈沖，以此來實現機側變流器的控制[5]。

網側變流器的控制過程與機側變流器相似，給定直流電壓Udc*與從直流側檢測得到的實際電壓Udc比較，差值經過電壓調節器得到有功電流的期望值id*，id*與實際檢測到的有功電流iq比較（有功電流和無功電流通過坐標變換得到，θ由鎖相環PLL得到），差值經過有功電流調節器輸出，然后加上前饋電壓補償得到參考電壓ud。無功電流iq*在發電系統正常運行時設定為0，iq*與實際無功電流iq比較，差值經過PI調節器再加上前饋電壓補償得到參考電壓uq，ud、uq經過SVPWM調制得到網側變流器主電路三相橋的驅動脈沖，以此來控制網側變流器工作。

根據以上分析，通過網側變流器和機側變流器協調控制，便可使發電機和風力機跟隨風速的變化而變化，吸收各種風速下的最大風能，同時將風能轉化為機械能，進一步通過各種電流環節轉化為可以饋入電網的電能，實現永磁風力發電的基本目標。

3 系統仿真研究

根據圖 2，在 MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，仿真參數設置如下：

風力機參數：額定功率120 kW；風力機葉輪半徑12 m；切入風速 3 m/s；切出風速 25 m/s；額定風速 10 m/s；最佳葉尖速比8.3；最佳風能利用系數4.79。

永磁同步發電機參數：額定功率120 kW；定子電阻0.12 Ω，d軸電感 0.033 H；q軸電感 0.033 H；永磁體磁鏈1.79 Wb；轉動慣量 150 kg·m2；轉動粘滯系數 0.005 N·m·s；極對數 32。

網側變流器仿真參數：網側相電壓220 V；網側濾波電感0.012 H；濾波電感等效電阻0.06 Ω；開關頻率5 kHz；直流側濾波電容0.002 2 F。

仿真波形如圖3～圖9所示。

根據以上仿真曲線可以看出，當風速由7 m/s漸變為10 m/s時，發電機 (風力機)轉速能夠很好地跟隨風速的變化而變化，發電機定子側電流和網側電流也隨著風速的增大而增大，并且網側電流與電壓能夠保證運行在單位功率因數逆變(相位角相差180°)狀態。通過網側有功功率以及有功電流 id、無功電流iq可以看出，整個發電過程中，只要系統正常運行，網側無功電流iq便一直保持為0，而有功電流可以隨著風速的變化而變化，當風速變化時饋入電網的有功功率由40 kW變為120 kW，風能利用系數在整個過程中基本保持不變，接近0.48，說明風電系統在整個過程中一直保持最大風能的追蹤。

4 其他問題的說明

(1)在風力發電的控制系統中應用了多個PI調節器，在對其比例系數Kp、積分系數Ki進行設定時必須符合發電系統的基本物理要求，另外各個PI調節器一定要加限幅值。例如發電機控制系統中的變流器，如果外環為速度環時，由于直驅風力發電系統具有很大的轉動慣量，反應比較遲緩，因此要使其速度跟隨風速快速變化必須是PI調節器有合適的靈敏度，一般比例系數Kp應該設置得較大一些，而積分時間常數τi應該較小。

(2)PI調節器的限幅值也非常關鍵，因為仿真最終是模擬實際，因此只有確定明確的限幅值才能確定系統的容量問題，才能對其他各種問題進行分析。

(3)永磁風力發電系統的中間變流環節可以看作一臺背靠背PWM交直交變頻器[6]，因此當風速變化較為明顯時，若采用速度外環控制則可能出現發電機運行到電動狀態的問題，也就是風能和電網發出電能同時使風力機和發電機提速。在這種情況下風電系統的電流和功率極性都會瞬時發生改變，這對系統就有一定的沖擊性，是一種不良影響。因此必須對PI調節器設定合適的限幅值，防止其在轉速變化（特別是風速變化明顯，如階躍信號）時工作在電動狀態，在設定限幅值時應同時設置積分環節單獨的限幅值，防止其積分影響。

本文通過仿真分析驗證了采用雙PWM協調控制的永磁直驅風力發電系統在最大功率追蹤方面的較好性能，說明了該系統具有良好的可行性；論文最后對仿真系統中PI參數的設置進行了說明，使該系統可以有效避免轉速控制中轉矩和功率沖擊問題。

[1]李傳統.新能源與可再生能源技術[M].南京：東南大學出版社，2005.

[2]馬洪飛，徐殿國，苗立杰.幾種變速恒頻風力發電系統控制方案的對比分析[J].電工技術雜志，2000(10)：1-4.

[3]李文杰.基于交流勵磁雙饋電機變速恒頻風力發電系統的研究[D].淮南：安徽理工大學，2011.

[4]佘峰.永磁直驅式風力發電系統中最大功率控制的仿真研究[D].長沙：湖南大學，2009.

[5]董桐宇.直驅式風力發電機的建模與并網仿真分析[D].太原：太原理工大學，2011.

[6]TAFTICHT T，AGBOSSOU K，CHERITI A.DC bus control of variable speed wind turbine using a buck-boost converter[C].Power Engineering Society General Meeting，2006：18-22.