直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)控制研究

李慶　艾艷波　陳康博

【摘要】伴隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，給能源和生態(tài)造成了巨大的壓力。近年來，隨著人們思想意識的不斷提高，人們開始開發(fā)新的可替代能源。在一系列新能源的開發(fā)過程中，風能以其較大的規(guī)模和快速的發(fā)展速度引起了人們的矚目。隨著風能的不斷開發(fā)，出現(xiàn)了多個靠風力來進行發(fā)電的系統(tǒng)，而在這些系統(tǒng)當中，最具特點和效率最高的是直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)。采用直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)給人們帶來了更高的效率，其自身擁有簡單的結構和較大的可靠性，對直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的控制研究越來越受到重視。

【關鍵詞】直驅式風力發(fā)電；民族文化傳承；作用

前言

隨著科學技術的不斷進步，人們開始意識到能源在促進人類社會不斷發(fā)展中的重要作用，伴隨著飛速發(fā)展的社會經(jīng)濟，作為人類發(fā)展至今的主要能源的煤和石油等已經(jīng)面臨著枯竭的狀態(tài)。為了實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展，人們開始研究新能源和可再生能源的開發(fā)和利用。而風能以其自身獨特的優(yōu)勢，在近年來新能源的開發(fā)過程中得到廣泛的關注。對風能的開發(fā)和利用過程中產(chǎn)生的直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)給人們的生活帶來了極大的便利，同時還減少了污染，因此對于直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的控制研究具有重大意義。

一、直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)

（一）原理。作為變速恒頻變槳風力發(fā)電系統(tǒng)的一個種類的直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)，英文縮寫為PMSG，人們在對其進行空過程中所采用的方案基本上與雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)相同，但是卻較之具有更簡單的構造和更高的效率以及更具有可靠性，而且在直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部是直接將發(fā)電機與風力機進行連接的，而增速齒輪箱這一部分直接進行了刪減。在直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)當中，于電網(wǎng)相連的發(fā)電機組是經(jīng)由電力電子功率變換器發(fā)生的，由風力發(fā)電機送出的電能是非常不穩(wěn)定的，不能夠工人們生產(chǎn)和生活正常使用，因此直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)將這個不穩(wěn)定的電能經(jīng)過一系列轉換，使其能夠產(chǎn)生交流電，而這個交流電與電網(wǎng)擁有相同頻率和幅值的，這樣一來這個不穩(wěn)定的電能就能夠直接進入電網(wǎng)[1]。

（二）優(yōu)點。首先，增速齒輪箱的省略，在其他風力發(fā)電系統(tǒng)當中都存在這增速齒輪箱，在發(fā)電系統(tǒng)運行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象，同時由于增速齒輪箱自身的原因還很容易造成其他儀器發(fā)生問題，維護頻率針對發(fā)電系統(tǒng)而言是非常重要的，而增速齒輪箱的省略使該頻率得到了保障，使較高的可靠性在系統(tǒng)運行過程中得以體現(xiàn)；其次，提高了系統(tǒng)效率。在直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)當中是沒有勵磁裝置的，這在一定程度上使發(fā)電的效率得到了提升，使風速在切入系統(tǒng)的過程中大大降低，從而也就使系統(tǒng)的運行覆蓋面得以增加，對風能的有效利用率得以加強；再次，良好的電網(wǎng)接入功能。在直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)中與電網(wǎng)進行連接的發(fā)電機是經(jīng)由電力電子功率變換器來進行的，這就使電網(wǎng)和發(fā)電機之間的干擾降低，在發(fā)生故障是能夠互不干擾，使穿透能力在低電壓中得以提升[2]。

二、直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)控制

（一）永磁同步電機的控制。在對永磁同步發(fā)電機進行有效控制的過程中，以兩方面的策略為主，第一，id=0控制策略，首先將三相定子電流合并為一個單位，并在q軸上定向，此時假設轉子磁鏈是永恒不變的，沒有去磁效應的產(chǎn)生，并且定子電流同電磁轉矩為線性的聯(lián)系。這是一種能夠簡單化電機轉矩控制的方法，然而在id=0的時候，不是永恒不變的機端功率的因數(shù)，功率因數(shù)的下降會因負載電流的增長而逐漸減少；第二，恒定氣隙磁鏈控制策略，它的重要優(yōu)勢在于能夠保證氣隙磁場的永久不變狀態(tài)，使功率因數(shù)始終保持較高的值，但是當id≠0時，這一策略將導致去磁效應的產(chǎn)生。

（一）機側PWM交流器控制策略。永磁同步發(fā)電機的轉動速度主要是由機側PWM交流器來進行控制的，它能夠促進風機之上的葉尖速比處于最好的狀態(tài)，使最大功率得以充分觀察和控制，將發(fā)電機轉速進行有效的掌控要經(jīng)過對發(fā)電機定子電流的相位和幅值進行掌控[3]。

（二）網(wǎng)側PWM逆變器控制策略。網(wǎng)側PWM逆變器控制的目的是將直流電轉換成交流電，具體是為了得到同相位和幅值的電網(wǎng)的交流電要使機側變流器整流而來的直流電進行轉換，而此時，必須要確保穩(wěn)定的是直流母線電壓。對直流母線下達的電壓命令要達到一定數(shù)值，來保證充足的反向截止電壓能夠供給給開關。電網(wǎng)電壓的矢量頂箱操控是網(wǎng)側年便器所應用的策略，在d軸上使網(wǎng)側電壓矢量進行定向，單位功率因數(shù)形式處于正常的工作狀態(tài)下，只有有功功率得到了輸出；當故障造成電網(wǎng)停止運作時，要使無功電流命令得到轉變，逆變器有功和無功的多少進行調(diào)整[4]。

（三）變槳距控制基本原理。如果風速超出了規(guī)定的數(shù)值，要想達到對自然風被風力機所吸取的能力的有效控制的目的，要使安全貫穿到風電系統(tǒng)當中，變槳距控制模式應該在風機中啟動。變槳的意思是使槳距角的大小在風力機葉片得到有效控制的情況下進行轉變，以此來轉變?nèi)~片的啟動特性，這樣做的目的是在風速較高時將風機輸出功率保持在規(guī)定的功率數(shù)額左右。在當前的狀況下，三槳葉獨立變槳結構是被兆瓦級風電機組普遍運用的，機組輸出功率、風速和發(fā)電機轉速都是控制槳距角的量。

結論

在對直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)進行研究的過程中，能夠通過各種有效控制研究方法使其得到較好的應用價值。在當今世界經(jīng)濟飛速發(fā)展的狀態(tài)下，加強對新能源的有效開發(fā)和利用具有歷史性的價值。同時還能夠轉變傳統(tǒng)的能源給世界環(huán)境和生態(tài)造成的嚴重損害現(xiàn)象，實現(xiàn)世界經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。在進行新能源開發(fā)的過程中，直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)和使用，以其自身獨特的特點得到了廣泛的認可和支持，在這種情況下，對直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的控制研究意義重大。本文通過對直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)控制的研究，對今后工作中該系統(tǒng)的使用具有重要價值。

參考文獻

[1]束成.直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)控制研究[D].南京理工大學，2014.

[2]張義.直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的控制研究[D].天津大學，2007.

[3]趙仁德，王永軍，張加勝.直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制[J].中國電機工程學報，2009，27：106-111.

[4]李源.永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制研究[D].北方工業(yè)大學，2013.