直驅永磁風力發電系統仿真與優化控制

陳喬照

摘要：直驅永磁風力發電系統較其他風力發電系統而言，其轉速可在大范圍內變化，其風能轉換為電能的效率較高。該系統直接由風機驅動，省去齒輪箱等中間環節，減少了維護費用和發電系統的噪音，同時降低了部分機械損耗。發電機轉子由永磁材料構成，無需勵磁控制，控制相對簡單。因此，基于直驅永磁風力發電機的風力發電系統具有轉速可調，效率較高，控制靈活等特點。

關鍵詞：直驅永磁風力發電系統仿真;優化控制

前言：

環境污染，能源危機日益嚴重，風電因其高效、清潔而得到各國關注。永磁同步發電機相比雙饋異步發電機，因高效、高可靠性成為海上風電主流機型。變速永磁風電始于上世紀90 年代，歐美國家規模已趨向大型化，國內目前規模尚小，“棄風限電”嚴重，且隨裝機容量需求快速增長，變速恒頻與全功率變流將成為風電產業關鍵技術，并迅速向多種地形擴展。

一、直驅永磁風力發電系統常見模型

1.工作原理。直驅永磁風力發電系統是由風輪機直接耦合永磁風力發電機，發電機輸出由可控硅整流后，再經過逆變器將能量發送給電網或蓄電池。其基本原理是利用風力帶動風力機葉片旋轉，拖動直驅永磁發電機的轉子旋轉，實現發電。直驅永磁風力發電系統的變頻恒速控制是在定子回路中實現的，把直驅永磁發電機變頻的交流電通過變頻器轉變為電網同頻的交流電，實現風力發電的并網，因此變頻器的容量與系統的額定容量相同。

2.直驅永磁風力發電系統驅動動力來源于風機，這不僅能夠減少系統維護成本，降低機械損耗，而且還能提高系統控制效率，這一系統具有轉速調節、靈活控制優點。針對其仿真過程具體分析，即通過觀察參數變化來獲得仿真分析結果。下文介紹常見系統模型，以便為仿真分析奠定理論基礎。（一）風輪機模型。這一模型即系統借助背靠背變換器連接于電網，將風輪機設備視為剛體，針對該設備動態描述時，借助一階簡化模型完成動態描述任務。在這一過程中，應用公式計算得出系統慣性時間常數，需要說明的是，風輪機負責能量轉換工作，即風能轉換為機械能，其中，機械功率計算方法為：1/2× 空氣密度 × 風輪機葉片接觸面積 × 風速 × 風輪機輸出功率系數 × 槳葉節距角和葉尖速度比函數。（二）永磁發電機模型。該模型具體包括精確模型和實用模型兩部分，其中，精確模型準確確定永磁體基波勵磁磁場軸線，并合理設置電流輸出方向，應用定子電壓方程求得直軸分量以及交軸分量。對于實用模型，即在電力系統動態分析的基礎上，借助定子電壓方程求得電子系統動態值。（三）變換器模型。永磁風力發電機組成部分包括三部分，第一部分即電容器，第二部分即發電機側變換器，第三部分即網絡側變換器。具體組成內容包括發電機端電壓、并聯電容器電壓、發電機測控控制器電流、網絡側控制器電流、電容器電流、網絡側控制器電壓。

二、仿真分析

（一）系統仿真波形。由基礎風、陣風、漸變風和隨機風疊加而成的自然風作為直驅永磁風力發電系統的輸入風速。由直驅風力發電系統的動態可知，發電機轉速隨著輸入風速的變化而變化，發電機側輸出有功功率曲線與最大功率追蹤曲線吻合，表明發電機能較好地跟蹤最大風功率。

（二）發電機模型適用性比較。將發電機精確模型和實用模型分別與負載相連，設置負載電阻在 100s 時由 1.4 pu 突變至 1 pu，風速維持 10m/s 的恒定值。由此可知，精確模型在 100s 處波形變化明顯。精確模型計及定子電磁暫態過程，當電阻負載下降時，電流應增大。但由于發電機電壓方程中存在電流微分過程，使電流不能突變，則通過在 100s 時端口電壓上升以阻止電流增大，反映到發電機側有功功率曲線上為瞬時激增。而實用發電直驅永磁風力發電系統仿真與優化控制機模型中忽略了定子暫態過程，發電機有功功率曲線無上升過程。另外，將發電機精確模型和實用模型，分別與變換器及其控制器相連，并入三相系統中。在 40s 處設置三相短路接地故障，經過 0.01s 退出故障。由此可知，當 40s 發生三相短路故障時，兩種模型下的網絡側有功功率曲線基本吻合。

三、直驅永磁風力發電系統優化控制

對直驅永磁風力發電系統而言，控制器對發電系統的動態有重要影響。在搭建仿真模型的過程中，設置合適的控制器參數能有效提高風力發電系統的動態性能。本文通過對控制器參數進行優化來改善系統動態性能，取故障時刻網絡側控制器的直軸電流變化量為優化變量，將控制器參數集作為粒子，利用粒子群算法對網絡側三組控制器參數進行優化。

（一）粒子群算法。它是一種智能優化算法，也是一種思路簡單，易于實現的高效率算法。在電力系統領域，應用傳統的優化算法處理問題需特定的公式，但粒子群算法可通過微小的修正來適應不同種類的優化問題。粒子群算法的核心思想是將一群隨機初始化的粒子看待解決問題的可行解，設定適應度函數來描述可行解的優劣。每個粒子在一定的空間范圍內運動，由設定好的速度決定其運動方向和步長。

（二）粒子群算法在控制器參數優化中的應用。粒子群算法的核心思想是將一群隨機初始化的粒子看做待解決問題的可行解，設定適應度函數來描述可行解的優劣。每個粒子在一定的空間范圍內運動，由設定好的速度決定其運動方向和步長。通過比較其他粒子的歷史最優點和自身的當前最優點，逐代尋優，最終獲得最優解。利用粒子群算法對網絡側控制器的三組控制器參數進行優化計算。將直驅永磁風力發電系統連接至三相系統中，根據電網電壓定向的矢量控制技術，在 坐標系下，將網側變換器的有功功率 作為反映系統性能的動態指標為網絡側有功功率 僅與電網電壓和網絡側直軸電流有關，通過改變直軸電流可改變網絡側有功功率。因此，將網絡側直軸電流在故障下的最大值作為優化目標，通過逐次迭代，使電網發生故障時，網絡側直軸電流最大變化量達到最小，從而獲得控制器參數的最優解。具體實現過程如下初始化。根據位置和速度上下限設定每個粒子的位置和速度，并將初始時刻所有粒子的位置保存到局部最優位置中，以電流的最大值最小為目標，尋找全局最優位置。根據每個粒子的適應值更新局部最優和全局最優位置。計算粒子適應度函數值，以此評價該粒子的優劣。總之，直驅永磁風力發電系統較其他風力發電系統而言，其轉速可在大范圍內變化，其風能轉換為電能的效率較高。該系統直接由風機驅動，省去齒輪箱等中間環節，減少了維護費用和發電系統的噪音，同時降低了部分機械損耗。同時，發電機轉子由永磁材料構成，無需勵磁控制，而且其控制相對簡單。編寫粒子群算法程序，通過仿真模型與粒子群算法進行數據交換，交替迭代，達到對控制器參數進行逐級尋優的目標。

結束語：

風力發電系統的快速發展，其在電力能源中所占的比重日益增加。由于永磁直驅型風力發電系統在結構上省去了傳動齒輪箱，且通過電壓源換流器高壓直流輸電與電網連接，具有結構簡單、發電效率高、運行可靠性高及維護成本低等優點，是目前風力發電技術領域的一個重要研究方向。直驅永磁風力發電系統無需齒輪箱，克服了雙饋風力發電系統需要齒輪箱升速帶來的成本高，易出現故障，可靠性差，效率低，調速范圍較小等缺點，且不需要電勵磁裝置，重量輕，效率高，可靠性好，因此而成為研究的熱點。

參考文獻：

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