直驅永磁風力發電系統的建模仿真研究

曾誠實

（國網臺州供電公司，浙江 臺州 318000）

0 引 言

根據實時風速的不同，控制風機功率的穩定輸出。在額定風速以下時，風機需要實現風機功率的最大捕獲和輸出；當超過額定風速時，受系統機械、發電機、變換器等額定條件限制，必須減少風機捕獲的能量，利用變槳距技術使發電機的輸出功率維持在額定工況。

1 額定風速下的最大風能追蹤

當實際風速低于系統的額定風速時，因為風機的捕獲功率隨著葉片速度的變化而變化，對于某一個風速都有一個最優的轉速可以匹配，所以最大風能控制就是控制風機轉速使其一直能運行在最大功率點。當槳距角不變時，就有一個最優化的葉尖速比λ與其匹配，使風能利用系數Cp值為最大，實現風力機最大輸出功率。葉尖速比公式為

式中：ωm為風力機旋轉角速度；R為風機葉片尺寸；V為葉片根部的風速。為了保證最優的葉尖速比，在R固定不變時，需要使風機轉速隨著來風的風速變化。為了獲得永磁同步發電機（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）機組最大性能優勢，實現風能的最大吸收以及最大發電功率，發電機的轉速調整必須夠迅速，需要采用合適的控制方法來適應風速變化。

直流電機擁有優異的調速性能，由于直流電機的勵磁電流和主磁通成比例關系，只要控制勵磁電流穩定，就能控制主磁通值保持不變。直流電機的轉矩值由相互不受影響的電流和主磁通聯合決定，因此直流電機的轉矩和轉速可以分開獨立控制，調速性能優異[1]。永磁同步電機與外部無功功率交換為0。參考直流電機的控制，通過基于定子電流d軸分量id=0對風機轉速進行控制，電機轉矩Te的計算公式為

式中：np為電機極對數；ψf為轉子磁鏈值；iq為電機定子電流；轉子磁鏈值ψf恒定時，Te與iq為比例關系。在id=0 的前提下，只要保持定子電流與坐標系d軸呈垂直關系，就可以參照直流電機，控制iq來控制永磁電機的轉矩，使輸出Te快速響應iq，從而實現對PMSG 的耦合參數的解耦和轉矩轉速的獨立線性控制[2]。

在風力發電機風能轉化過程中，PMSG 發電功率大小取決于葉片所捕獲的風速，在槳距角不變的情況下，發電機的轉速值在對應的風力機功率曲線圖上都有一個最優的功率匹配點[3]。因此，風力發電機組控制發電機轉速也就控制了發電有功功率輸出，其總體雙閉環控制系統如圖1 所示。

圖1 PMSG 控制系統框圖

由于發電機由永磁同步發電機，不存在無功功率交換，在dq坐標系下，通過控制矢量可以產生對應的電壓ud和uq以及電頻率fe，實現對發電機轉速的控制[4,5]。

2 額定風速以上的功率控制

為保證在額定風速以上時變槳距機組正常運行，需要通過調節槳距角，保持輸入功率在額定功率附近，同時減少強風情況造成的不利影響。如果發電機轉速變大，那么發電機的有功功率輸出也必然增大，為保證機組各項狀態穩定，可以通過變槳距技術，在風速超過風機額定值時，調節槳距角，抵消大風的能量，從而保持輸入輸出平衡。變槳控制框圖如圖2 所示。

圖2 變槳控制框圖

從葉片槳距角系統控制過程可知，當β增大時，Pm會降低。當風速大于額定風速，Pm超過額定值時，需要調節葉片節距使β變化，保持發電機的輸出有功功率在允許的范圍之內。

3 仿真模型的建立

根據上述數學模型，在Simulink 軟件中建立相關的仿真模型，主要包括風力機部分、傳動軸部分、發電機部分以及變流器部分，并進行仿真驗證。系統模塊采用的是葉尖速比法，如圖3 所示。

圖3 整體系統模塊

設置發電機額定功率為3.3 kW，相電壓為220 V，風輪半徑為1.5 m，空氣密度取1.225 kg/m3，λopt取7，Cpmax取0.45。開始時風速為10 m/s，在3 s 時風速變為13 m/s，相關的仿真數據如圖4 ～圖8 所示。

圖4 發電輸出功率

圖5 葉尖速比與Cp

圖6 槳距角變化

圖7 風機輸出轉矩

圖8 機械轉速變化

仿真結果顯示，機組在初始風速下，風力機的槳距角保持最初角度不變，Cp也為最大值0.45 附近，發電機輸出功率穩定。當風速發生變化后，發電功率增大。超過額定風速后，變槳距控制系統發揮作用，發電機功率經過一個較短的暫態過程后能夠穩定輸出，驗證了仿真模型的有效性。

4 結 論

通過分析直驅永磁同步風力發電系統各組成部分的數學模型，在Simulink 軟件環境中建立了系統的整體仿真控制模型，完成對PMSG 系統的仿真研究。仿真結果驗證了相關模型以及采用的控制方案的有效性。