永磁同步風力發電系統控制技術綜述

史旭春

【摘 要】隨著經濟和科技水平的快速發展，風力發電機的維護系統使得風力發電機出現故障的隱患減小。此系統的應用有效延長了金風的永磁直驅發電機的使用壽命，提高了金風的永磁直驅發電機的可靠性和安全性。金風的永磁直驅發電機維護系統能夠有效維護發電機的正常運行，降低了金風的永磁直驅發電機意外停機的風險，提高機組的運行效率，同時還能夠降低金風的永磁直驅發電機裝備的維護成本。在對其拓撲結構分析的基礎之上對矢量控制技術和直接轉矩控制技術應用于永磁同步風力發電機進行了詳細的分析。最后，指出了永磁同步風力發電系統控制技術未來可能的研究重點和發展趨勢。

【關鍵詞】風力發電;永磁同步風力發電機;控制技術

引言

風能發電系統的研究中，風力發電機一直是國內外學者研究的重點。對于風力發電機而言，高效率、低成本以及高供電質量一直是其設計的主要目標。與其它電機相比，永磁電機具有更高的功率密度和效率，因而永磁風力發電機更能滿足在風力發電應用上的需求。然而，由于永磁風力發電機的低速應用特征，通常需要采用極對數較大的設計方案，導致了磁鋼用量增加，磁鋼間漏磁增多等問題。除此之外，由于稀土材料價格較高，會使得風力發電機制造和后期維護成本較高，不利于風力發電的大規模建設和發展。

1風力發電機組故障診斷的研究現狀

就目前發展而言，風力發電機的維護系統使得風力發電機出現故障的隱患減小。此系統的應用有效延長了金風的永磁直驅發電機的使用壽命，提高了金風的永磁直驅發電機的可靠性和安全性。金風的永磁直驅發電機維護系統能夠有效維護發電機的正常運行，降低了金風的永磁直驅發電機意外停機的風險，提高機組的運行效率，同時還能夠降低金風的永磁直驅發電機裝備的維護成本。隨著金風的永磁直驅發電機的廣泛使用，社會對金風的永磁直驅發電機系統故障診斷技術給予巨大的關注。實時監控發電機設備故障并及時維護能夠提高金風的永磁直驅發電機的可靠性，降低機器的運行成本。令人可喜的是國外和其他研究人員對于如何減少金風的永磁直驅發電機故障問題，對線圈中轉子電流的諧波和搜索線圈電壓的方法以及分析定子繞組的損壞作出了研究。對于金風的永磁直驅發電機來說，常用的、有效的方法是定子電流的頻譜分析，該分析方法對于監測和診斷電動機存在的缺陷有著很大的作用。電流的頻譜分析被用來感應電動機繞組出現的故障、機械的不平衡以及定子缺陷的診斷和監測。許多專家在小波分析理論的基礎上提出了雙功率風力發電機定子繞組故障的分析方法。許多學者使用金風的永磁直驅發電機時將動力轉換成為連續小波變換。通過用頻率大小除以分量的大小、機器的損傷程度和頻率分布來識別風向和風力的等級。金風的永磁直驅發電機的軸承降低了生產成本，減少了對振動傳感器的損壞。

2控制策略綜述

2.1交替極永磁風力發電機結構設計

考慮到電機的功率輸出和容錯能力，該新型拓撲定子采用交流五項設計，在風力發電系統中，通過整流逆變電路轉換為與電網同步的三相電壓。同時，為了提高該交替極永磁風力發電機在故障狀態下的容錯運行能力，電樞繞組采用了隔齒繞的繞線方式，即在每相線圈之間保留一個容錯齒。轉子與定子同軸內置于定子內部，并采用內置式永磁轉子結構以保證轉子在運行中的結構強度。轉子永磁體采用了“V型”排布的交替極結構，提高了永磁磁勢和永磁體利用率。由于交替機拓撲用鐵心極替代原有一半的永磁極，這拓寬了“V型”永磁結構中的兩塊磁鋼夾角設置范圍，有利于降低電機反電勢中非工作諧波占比。在傳統“V型”永磁結構下，由于所有永磁體相鄰排布，“V型”磁鋼夾角的調節范圍受到相鄰磁鋼限制，制約了對電機反電勢諧波畸變率的優化。

2.2無傳感器直接轉矩控制

同樣地，為了減少傳感器的使用，提高風力發電系統的可靠性，不少學者對永磁同步風力發電機直接轉矩控制無傳感器控制技術做了許多研究。提出了無位置傳感器情況下兩種轉子檢測的方法，但是并未將其應用至實踐中。一種永磁直驅型風力發電系統的無風速傳感器直接轉矩控制策略，直接控制電機的轉矩和定子磁鏈來實現永磁同步發電機的最優控制，不需要轉速外環，避免了風速的測量和風速測量不準確等問題，但是對發電機轉速的測量精度提出了更高的要求。將SVM和無位置傳感器技術相結合用于直接轉矩控制系統。提出一種利用RBF神經網絡進行風速估計并考慮損耗轉矩的最大風能跟蹤控制策略。

2.3自抗擾控制

為了解決風力發電系統非線性、不確定性、強干擾的問題，一種以實現最大功率跟蹤控制為目標，實時跟蹤電機轉速的基于最佳葉尖速比的自抗擾控制（ADRC）策略，該方法不依賴系統數學模型，將永磁同步風力發電機存在的所有干擾看作系統總干擾，利用擴張狀態觀測器對系統的總干擾進行估計，然后通過反饋控制器進行干擾補償。將ADRC和PI相結合，不足之處在于這種控制技術還未對系統進行無傳感器方面的研究。

2.4故障診斷分析

永磁直驅發電機故障監測和診斷系統主要包括對風機運行狀況的分析，為了使風力發電機減少故障發生率，施工人員和維護人員采用了一種獨特的故障診斷方法，這種方法不僅節省了設備的維護成本，而且還滿足了現有金風的永磁直驅發電機的使用需求。作為管理維護發電機的工具，風力發電機的監測和故障診斷系統需要進一步改善，現場施工人員還應該創建綜合風力發電場，減少工作人員的工作量。由于發電機的獨特性，相應部門應當采用適當的措施對金風的永磁直驅發電機實施維護和管理。

3發展趨勢

一是研究可靠性高的復合控制算法，將矢量控制和直接轉矩控制有效結合起來，揚長避短，可以同時滿足穩態精度和動態響應的要求;二是針對多極永磁同步風力發電控制技術的研究，隨著永磁同步風力發電系統容量的不斷擴大，永磁同步風力發電機向多極化發展是必然的趨勢;三是對先進控制引入后的簡化處理，雖然目前已成功將諸如模型預測控制、自抗擾控制等先進控制技術與矢量控制和直接轉矩控制相結合，但是無一例外其計算過程非常復雜且難以理解;四是針對新型變流器拓撲結構，控制技術與多電平變換器結合的研究;五是針對基于觀測器的算法，使算法受電機參數影響更小，提高系統的可靠性。

結語

在永磁同步風力發電系統控制技術中，矢量控制通過將發電機直軸電流設定為零，對其電磁轉矩和磁鏈進行控制，但坐標變換引起計算復雜，對數字信號處理能力要求較高;直接轉矩控制技術直接以轉矩為被控制量，給定定子磁鏈幅值，通過調節空間電壓矢量來直接改變定子磁鏈和轉子磁鏈之間的夾角，進而直接控制轉矩，但是要重視電機參數對算法的影響。

參考文獻：

[1]劉細平，于仲安，梁建偉.風力發電技術研究及發展[J].微電機，2007，40（4）：76-79.

[2]魏偉，許勝輝.風力發電及相關技術綜述[J].微電機，2009，42（4）：66-69.

[3]劉細平，黃筱霞.一種雙定子低速稀土永磁同步風力發電機設計研究[J].微電機，2006，39（8）：25-27.

[4]曹江華，楊向宇，姚佳.雙轉子永磁同步風力發電機設計與應用[J].微電機，2008，41（2）：65-67，85.

[5]林顯軍，程小華.開關磁阻風力發電技術[J].電機與控制應用，2011，38（9）：46-50.

[6]張建忠，程明.新型直接驅動外轉子雙凸極永磁風力發電機[J].電工技術學報，2007，22（12）：15-21.

[7]王文博.直驅式外轉子永磁同步風力發電機及計算機輔助設計[D].廣州：廣東工業大學，2011.

（作者單位：國投哈密風電有限公司）