直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的建模與穩(wěn)定控制

劉剛，方正基，王圣坤，朱遠勝

（東方電子股份有限公司，山東煙臺264000）

直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的建模與穩(wěn)定控制

劉剛，方正基，王圣坤，朱遠勝

（東方電子股份有限公司，山東煙臺264000）

針對直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)，建立包括風速、風力機、永磁同步發(fā)電機以及變流器的整體數學模型；提出以風速作為輸入信號，以控制變流器并網電流為實現(xiàn)手段的最大風能獲取控制算法；在逆變控制中，采用dq同步旋轉坐標下的矢量控制方法，建立引入電流反饋的直接電流控制策略，實現(xiàn)了風力發(fā)電系統(tǒng)的有功和無功的解耦控制。運用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD／EMTDC建立了直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，對常風速、陣風以及系統(tǒng)故障時機組的運行情況進行了仿真分析，結果驗證了所提出最大風能獲取的控制原理的正確性，驗證了直驅永磁同步發(fā)電系統(tǒng)在電網故障時良好的低電壓穿越能力。

直驅永磁風力發(fā)電；最大風能獲取；直接電流控制；PSCAD／EMTDC

0 引言

針對直驅風力發(fā)電系統(tǒng)，國內外已有相關的研究。文獻［1－2］詳細比較兩種風力發(fā)電系統(tǒng)的區(qū)別，指出直驅風力發(fā)電系統(tǒng)由于取消中間齒輪箱，降低機組的運行速度，延長機組的運行壽命，提高機組的風能利用率和運行穩(wěn)定性；文獻［3－4］研究直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)（D－PMSG）的變流器控制策略，對比間接電流控制和直接電流控制的不同和各自的特點；文獻［5］采用雙PWM變換，使用SVPWM控制原理實現(xiàn)發(fā)電機整流部分的穩(wěn)壓控制；文獻［6－7］詳細介紹直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機的設計。上述文獻單獨分析該系統(tǒng)的主要組成部分模型，并沒有給出整個系統(tǒng)的模型。

本文將給出整個系統(tǒng)的模型，包括風速、風力機、永磁發(fā)電機、變流器，提出該系統(tǒng)最大功率獲取的發(fā)電機轉速控制策略，在電力仿真軟件PSCAD／EMTDC中建立直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)模型。通過對不同風速以及電網故障仿真，驗證模型的正確性以及控制系統(tǒng)的可行性。

1 直驅風電系統(tǒng)數學模型

1.1 系統(tǒng)基本機構

圖1為所用直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的結構。發(fā)電機采用永磁同步發(fā)電機，電機側電力變換器采用不控整流和Boost升壓斬波穩(wěn)壓電路，電網側變換器采用可控器件，完成風力發(fā)電系統(tǒng)的并網以及該系統(tǒng)最大風能跟蹤的轉速調節(jié)。

圖1 直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)結構

1.2 風速與風機模型

風能是風力發(fā)電系統(tǒng)的原動能，風能直接影響著風力發(fā)電系統(tǒng)的正常運行和其運行的狀態(tài)，同樣的風力發(fā)電系統(tǒng)在不同的風速下所呈現(xiàn)的各方面性能差別也很大。

風速的數學模型用4種風速的組合來表示［3-4，6］。

式中：vwa為基本風風速；vwr（t）為漸變風風速；vwg（t）為陣風風速；vwt（t）為隨機風風速。

1）基本風。

基本風可以由風電場測得的風速數據所得到的威布爾（Weibull）分布參數近似確定：

式中：A為平均風速；K為威布爾分布參數。

2）漸變風。

對風速的漸變特性可以用數學的漸變成分來模擬：

式中：Tsr為漸變風起始時間；Ter為漸變風結束時間；Ar為漸變風的峰值。

3）陣風。

描述風速的突然的變化特性，用數學的陣風特性來表示：

式中：Tsg為陣風開始時間；Teg為陣風結束時間；A為陣風峰值。

4）隨機風。

風速中的隨機分量可以使用隨機過程數學里面的噪聲模型來模擬：

式中：PDt為功率譜密度，W／Hz；f為頻率，Hz；h為風速點的高度，m；lvwa為噪聲強度，dB；z0地表粗糙系數，一般取0.000 4。

風力發(fā)電系統(tǒng)中，風力機通過葉片捕獲風能，將風能轉化為作用在發(fā)電機轉子上的機械能，考慮到實際情況中風機對啟動風速和切出風速的要求，風輪吸收的機械能可以表示為

式中：Vω為風速，m／s；Vin、VR、Vout分別為切入風速、額定風速以及切出風速，m／s；PN為風力機的輸出額定功率，W；ρ為空氣密度，kg／m3；R為風輪的掃風半徑，m；Cp為風能利用系數。

由式（6）可以看出，對于風力機而言，當風速一定時，風輪獲得的機械能將主要取決于風能利用系數Cp的大小。Cp的大小和葉尖速比以及葉片的傾斜角有關：

圖2 變槳距風力機風能系數與葉尖速比的關系

由圖2可知，槳距角β一定時，對于一臺確定的風力機總有一個最佳葉尖速比，使得風能利用系數Cp為Cpmax。這可以通過調節(jié)發(fā)電機轉速ωB獲得。對永磁發(fā)電機，調節(jié)逆變并網的電流，可以改變發(fā)電機的電磁轉矩，而發(fā)電機輸入的機械功率不變，這樣就可以調節(jié)發(fā)電機的轉速，使得風力機運行在最大風能利用系數下，更高效地利用風能。

1.3 永磁同步發(fā)電機模型

永磁同步發(fā)電機的工作原理和電勵磁同步發(fā)電機的工作原理相同。其頻率和轉速是對應的，其關系為

式中：fG為發(fā)電機的輸出頻率，Hz；p為永磁同步發(fā)電機的極對數；n為永磁同步發(fā)電機的轉速，r／min。

為了對發(fā)電機的有功無功解耦，對發(fā)電機的功率因數進行控制，在dq旋轉坐標下建立的同步發(fā)電機數學模型為

式中：Ps為發(fā)電機定子輸出有功，W；Qs為永磁同步發(fā)電機定子輸出無功，VA；ud、uq分別為d、q軸電壓，V；id、id分別為d、q軸電流，A；Ld、Lq分別為d、q軸電感，H；Rs為定子相電阻，Ω；ω為發(fā)電機電角速度，rad／s；ψf為永磁體基波勵磁磁場鏈過定子繞組的磁鏈，Wb。

在永磁電機中，由于轉子的勵磁不是通過勵磁電流來實現(xiàn)的，而是以永磁體來代替，因此上式中pψf為0，可以得到永磁同步發(fā)電機的動態(tài)等值電路如圖3。

圖3 等效電路圖

永磁同步發(fā)電機的運動方程如下：

式中：ω為發(fā)電機實際轉速，rad／s；ψds、ψqs分別為定子d、q軸磁通，Wb；ids與iqs分別為定子側d、q軸電流，A；Tm為永磁發(fā)電機機械轉矩，Nm；Te為永磁發(fā)電機電磁轉矩，Nm；J為發(fā)電機轉動慣量，kg·m2；F為磁滯系數。

利用式（11）和（12）可以通過控制發(fā)電機輸出電流的大小，來控制發(fā)電機的轉速，進而實現(xiàn)風力機的轉速控制，完成風力機的最大風能獲取。

2 D-PMSG的控制原理

直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略是整個風力發(fā)電系統(tǒng)的重點，控制系統(tǒng)的優(yōu)劣將直接關系風力發(fā)電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。控制系統(tǒng)主要包含變槳距控制、升壓斬波穩(wěn)壓控制、逆變并網控制等，控制的主要目標首先是風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，并保證系統(tǒng)對最大風能的跟蹤，同時能對系統(tǒng)有功無功解偶，在系統(tǒng)運行在小電網系統(tǒng)時，該控制方式的實現(xiàn)對于穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，防止電壓崩潰具有重要意義［8－9］。

根據發(fā)電機的工作原理以及最大風能獲取的原理，重點設計了發(fā)電機轉速控制，和風能最大獲取的控制方法。圖4為永磁同步發(fā)電機轉速控制的基本模型，積分時間常數T＝1。

圖4 永磁發(fā)電機轉速控制模型

根據永磁同步發(fā)電機的運動方程，針對直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的特點，利用PI控制設計了風力發(fā)電系統(tǒng)的轉速控制器。風機的最大風能獲取通過逆變器的控制來實現(xiàn)，控制原理如圖5，根據風機的輸入風速確定最佳葉尖速比，得到風機的最優(yōu)轉速，調整發(fā)電機的輸出功率，使得發(fā)電機的轉速能跟蹤最佳葉尖速比，達到風能的最大獲取。

如圖5所示，根據風機的風速Vwind，由式（7）得到風機的最優(yōu)轉速，使得風力機在該轉速下的風能利用系數Cp為最大，得到了最優(yōu)轉速ωopt跟此時發(fā)電機的轉速相比較，經過一個比例積分PI調節(jié)器，得到逆變器的輸出功率的變化量ΔP，用此時的實際功率減去該ΔP，得到逆變器應當輸出的功率Pout。

圖5 風機轉速控制原理

當處于最佳葉尖速比時對應的轉速ωopt大于目前的轉速ω時，經過PI調節(jié)后的ΔP為正，用此時的輸出功率減去ΔP，得到的Pout將小于原輸出功率，使得發(fā)電機電磁功率Ps減小，電磁轉矩Ts也將減小，由式（12）可知，發(fā)電機電磁轉矩減少，而輸入機械轉矩不變時，發(fā)電機的轉速將升高；當處于最佳葉尖速比時對應的轉速ωopt小于目前轉速ω時，經過PI調節(jié)后ΔP為負，用此時的輸出功率減去ΔP，得到的Pout將大于原來的輸出功率，使得發(fā)電機的電磁功率Ps增大，電磁轉矩Ts也將增大，由式（12）可知，當發(fā)電機電磁轉矩增大，而輸入機械轉矩不變時，發(fā)電機的轉速將下降；由此可以看出，發(fā)電機的轉速將跟隨最大風能利用系數下的轉速，這便實現(xiàn)了風能的最大獲取。

3 最大風能獲取與故障仿真與分析

直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)為并網型風力發(fā)電系統(tǒng)，通過10 kV輸電線路并入電網，系統(tǒng)結構如圖6所示。

圖6 并網型直驅風力發(fā)電系統(tǒng)結構

圖7 斬波穩(wěn)壓前后波形

圖7為采用的升壓斬波穩(wěn)壓電路前后的波形，從圖中可以看出，經過升壓斬波電路以后，系統(tǒng)的直流母線電壓能更好的穩(wěn)定在相對理想的值附近，即便是在受到較大的擾動時，如圖中5.0 s時，在系統(tǒng)整流后的電壓發(fā)生突變時，電壓仍能保持較好的穩(wěn)定性。驗證了本文采用的升壓斬波穩(wěn)壓控制的可行性。

利用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD，建立直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，具體參數為：極對數為48，額定線電壓為0.77 kV，額定容量為1.26 MVA，額定頻率為16 Hz，風機半徑為31 m，額定風速為12 m／s，風輪相對地高度為67 m。為了驗證所建立的永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)模型的正確性，以及提出的最大風能跟蹤控制原理的有效性，在仿真軟件PSCAD中對本文模型進行了仿真，結果如圖8～10所示。

圖8 常風速時仿真結果

由圖9（a）、（b）可以看出，該系統(tǒng)在陣風時風機的有功出力跟隨風速的變化而變化，驗證了本文提出的最大風能跟蹤的正確性；圖9（c）為風力機轉速波形，可以看出在陣風時，系統(tǒng)的轉速可以自動調整以跟蹤最優(yōu)轉速，完成了風能的最大獲取，驗證了提出的基于全額變流裝置轉速控制器的正確性；相對于異步風力發(fā)電系統(tǒng)，所研究的直驅同步風力發(fā)電系統(tǒng)在陣風時，并不吸收系統(tǒng)的無功，不會導致陣風時由于吸收系統(tǒng)大量的無功所引起的電壓的下降。

圖9 陣風時仿真結果

由圖8、圖9可以看出，風機等發(fā)電機轉速達到一定的值時，并網開關閉合，該系統(tǒng)中并未采用軟并網裝置，但其并網沖擊電流可以控制在額定電流以內，相比普通異步風力發(fā)電系統(tǒng)中并網的沖擊電流高達6～8倍的額定電流［10-11］而言，大大減少了風電場對電網的沖擊作用，有利于電網的穩(wěn)定運行。本文將風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率因數設置為1，從圖9可以看出，即便是在陣風時，系統(tǒng)的功率因數仍可以保持1不變。圖10為電網發(fā)生單相接地故障時仿真結果。

圖10 電網故障時仿真結果

由圖10可以看出，在系統(tǒng)母線發(fā)生故障時，風力發(fā)電系統(tǒng)能根據母線電壓的實際水平，自動選擇風電機的投切，保護風機的正常運行，系統(tǒng)在檢測到母線電壓恢復后，能迅速投入運行，系統(tǒng)的電壓頻率在經過短暫的振蕩后可以恢復穩(wěn)定。

可見，基于PSCAD所建立的并網型直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)能夠正確的反應系統(tǒng)各物理量的變化關系。

4 結語

首先給出了整個直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的數學模型，研究了直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的變流器控制策略，并提出了直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的最大風能獲取轉速控制原理。通過仿真分析，驗證了數學模型的正確性，以及變流器控制和最大風能獲取的有效性，同時也得到了直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的各方面性能要優(yōu)于普通異步風力發(fā)電系統(tǒng)的結論，仿真結果同時驗證了直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)具備良好的低電壓穿越能力，對維持電網穩(wěn)定有積極作用。

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Modeling and Control Strategies of Direct Drive Permanent Magnet Wind Power Systems

LIU Gang，F(xiàn)ANG Zhengji，WANG Shengkun，ZHU Yuansheng
（Dong Fang Electronics Co.，Ltd，Yantai 264000，China）

Based on D－PMSG（direct－drive permanent magnet synchronous generator），a complete model is built considering wind speed，wind turbines，permanent magnet generator and convertor.The algorithm of achieving the MPPT（maximum power point tracking）is proposed with the wind speed as the input signal and converter grid current control as the realization mean. With the vector control method in the d－q rotating coordinating frame，the strategy of direct current control with additional feedback of current signal（s）has been developed for inverter controller，realizing the decoupled control of active and reactive power of wind power generator.The model of D－PMSG and proposed control strategies are realized with the power system simulation software PSCAD／EMTDC.The simulation results verify the validity of the model and feasibility of the control strategies.

direct drive permanent magnet synchronous generator；MPPT；direct－circuit control method；PSCAD／EMTDC

TM614；TM71

A

1007－9904（2015）06－0031－05

2015-02-15

劉剛（1983），男，工程師，從事新能源、智能電網相關工作。