變速恒頻永磁風力發電機D T C控制系統的研究

安徽理工大學電氣與信息工程學院 崔高藝

變速恒頻永磁風力發電機D T C控制系統的研究

安徽理工大學電氣與信息工程學院 崔高藝

在風力發電領域，變速恒頻發電系統有著顯著的優越性和廣闊的應用前景。在直驅型變速恒頻發電系統中，永磁同步電機轉速低，可與風力機直接相連，無需升速。直接轉矩控制在定子坐標系下來進行直接控制定子的轉矩和磁鏈，控制運算量更小，結構更加簡單。本文即是采用直接轉矩控制對永磁同步發電機的機側變流器部分進行的相關控制技術研究，來實現最大風能捕獲，并利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件，搭建了整個系統的仿真模型，驗證了所提出的控制系統方案的準確性和有效性。

變速恒頻；永磁同步電機；Matlab

0 引言

近年來，變槳距調節技術與變速恒頻發電技術作為全球風力機與發電機的主流技術備受關注。根據發電機的運行特性以及控制方式，風力發電可分為恒速恒頻(Constant Speed Constant Frequency，CSCF)和變速恒頻(Variable Speed Constant Frequency VSCF)兩大發電運行方式。但隨著電力電子變頻技術的進步，恒速恒頻風力發電已逐步退出電力市場。目前，國內外變速恒頻風力發電系統發展迅速，其中典型的技術方案的主要為雙饋異步式風力發電、直驅型同步發電。

本文永磁同步風力發電機直接轉矩控制略進行了分析，建立了各組成部分的數學模型與仿真模型，并進行相關驗證。

1 永磁同步發電機直接轉矩控制

永磁同步發電機直接轉矩控制系統的方案設計，結構圖如圖1所示。在圖1所示結構圖中，電機的定子流量是通過電流傳感器測得的，由開關信號Sa、Sb、Sc和直流母線電壓Udc計算出電機的的定子電壓，然后通過克拉克變換得到兩相靜止坐標系下電流和電壓的α軸和β軸分量[1]，再通過磁鏈和轉矩計算模塊得到當前狀態下的電磁轉矩和定子磁鏈幅值、位置的實際值，再將得到的實際值與給定值做滯環比較得到滯環比較器的輸出值，開關矢量表根據滯環比較器的輸出值和磁鏈的當前位置信號判斷選擇出合適的電壓矢量去控制磁鏈和轉矩。

圖1 永磁同步發電機直接轉矩控制系統結構圖

2 仿真分析

構建永磁同步發電機直接轉矩控制的完整仿真系統。仿真參數設置：永磁電機定子電阻Rs=0.004054，定子電感L=3mH。定子磁鏈給定值為0.8wb，轉矩給定值為10.5。極對數P=2，在t=0.4s時風速從0階躍到11.5m/s。仿真結果如圖2、3所示。

圖2 系統磁鏈運動軌跡

從圖2所示仿真波形可以看出，圓形磁鏈的毛刺較少。可以看出觀測磁鏈達到了給定磁鏈，并且在設置的滯環寬度范圍內上下波動，這也屬于正常情況。

圖3 三相定子電流Iabc

圖3所示的是PMSG定子三相電流波形，ABC三相電流成正弦波，且互差120度分布。

3 總結

本論文就永磁同步風力發電機直接轉矩控制略進行了從理論到仿真的深入研究，闡述了永磁同步電機的直接轉矩控制技術，給出了永磁同步風力發電機的直接轉矩控制系統結構圖，并通過仿真結果分析，證明了本論文所述理論和方法的正確性。

[1]李冉．永磁同步電機無位置傳感器運行控制技術研究[D]．浙江大學博士學位論文,2012．

[2]易伯瑜．永磁同步電機高性能無傳感器控制技術研究[D]．華南理工大學博士學位論文,2014．

[3]朱軍,韓利利,汪旭東．永磁同步電機無位置傳感器控制現狀與發展趨勢[J]．微電機,2013(9)．

[4]高志軍．內置式永磁同步電機驅動系統的研究與實現[D]．湖南大學碩士論文,2012．