模擬風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計

雷慧杰，張艷偉，葛峰

（1.安陽工學(xué)院，河南安陽，455000；2.安陽鋼鐵集團(tuán)公司，河南安陽，455000）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前新能源中技術(shù)最成熟、最具有商業(yè)開發(fā)價值的一種發(fā)電方式之一[1]，越來越多的國家已經(jīng)注意到風(fēng)電開發(fā)能夠緩解當(dāng)前環(huán)境日益惡劣的現(xiàn)狀。結(jié)合當(dāng)前我國節(jié)能減排的形式，開發(fā)研究風(fēng)電是極具意義的。本文基于研旭風(fēng)力發(fā)電仿真平臺，通過將風(fēng)力發(fā)電機組的整套設(shè)備抽象成發(fā)電仿真平臺，以此來模擬直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通過修改仿真系統(tǒng)的風(fēng)速參數(shù)，獲取不同風(fēng)速下的發(fā)電特性。

1 系統(tǒng)概述

實際的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)輪、永磁同步發(fā)電機、交直交變流器（背靠背連接）等組成[2]。風(fēng)輪帶動發(fā)電機，從而發(fā)出三相交流電，三相交流電再通過PWM 整流器將交流電變?yōu)橹绷麟姡偻ㄟ^PWM 逆變器將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，再通過電感濾波，變壓器升壓后將并入主網(wǎng)。在仿真平臺系統(tǒng)中，風(fēng)輪由異步電動機代替，通過變頻調(diào)速，從而模擬自然風(fēng)變化的情況。

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電仿真平臺主要由主控臺、背靠背變流柜、風(fēng)電仿真平臺組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)原理

模擬風(fēng)力發(fā)電是在研旭風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)上進(jìn)行，采用了三相異步電動機和永磁多極同步發(fā)電機（PMSWG）直接耦合直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其原理如圖2 所示。

圖2 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)原理

PMSWG 產(chǎn)生的功率通過定子PWM 整流器整流成直流電，與中央DC 總線并聯(lián)的大電容器充當(dāng)穩(wěn)定的電壓和能量存儲緩沖器，通過并網(wǎng)的PWM 逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成與電網(wǎng)相同的頻率的交流電并饋入電網(wǎng)，電網(wǎng)PWM逆變器和定子PWM 逆變器具有相同的結(jié)構(gòu)。

3 雙PWM 變換器的基本工作原理

雙PWM 變換器可以根據(jù)需要以整流或逆變器模式運行，并且能量可以雙向流動。定子PWM變換器通常采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向，同時將PMSWG 的定子電流控制為正弦波形，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速以及功率因數(shù)的調(diào)節(jié)；并網(wǎng)PWM 變換器使用電網(wǎng)電壓矢量定向?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為對稱的正弦交流電，以實現(xiàn)并網(wǎng)和有功/無功解耦。

通過定子PWM 變換器或基于電網(wǎng)的PWM 變換器控制直流母線電壓，以保持高于電網(wǎng)幅度的穩(wěn)定值，以便于將能量傳輸至電網(wǎng)（如圖3 所示）。如果定子PWM 變換器控制直流母線電壓，則與市電相連的PWM 變換器的任務(wù)是跟蹤最大風(fēng)能，并且必須根據(jù)風(fēng)速控制PMSWG 速度或與市電相連的電流。如果基于電網(wǎng)的PWM 變換器控制直流母線電壓，則定子PWM 變換器負(fù)責(zé)跟蹤最大風(fēng)能。通常根據(jù)風(fēng)速將PMSWG 速度控制為達(dá)到最佳速度。能量流通常從PMSWG 流向主電源，此時PMSWG 在正常發(fā)電模式下運行，但是當(dāng)PMSWG 啟動時，能量可以從市電流向PMSWG，因此PMSWG 在電動狀態(tài)下能夠快速啟動。

圖3 雙PWM 變換器的基本工作原理

4 永磁同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型

■4.1 A-B-C 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

電壓方程為：

其中，ua、ub和uc分別是定子三相繞組端電壓，Rs是定子繞組相電阻，ia、ib和ic分別為定子三相繞組電流，為微分算子，ψa、ψb和ψc分別為定子三相繞組的磁鏈。

轉(zhuǎn)矩方程為：

磁鏈方程為：

其中，Laa、Lbb和Lcc為各項繞組自感，且三者相等；Mx為各繞組之間的互感，公式中6 個相關(guān)量相等；ψf為永磁體磁鏈；θ為轉(zhuǎn)子N 極與a 相軸線夾角。

■4.2 α-β 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

通過Clack 變換可以將A-B-C 坐標(biāo)系下的模型轉(zhuǎn)換為α-β 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。

電壓方程為：

其中，uα和uβ為定子電壓在α-β 軸分量；iα和iβ為定子電流在α-β 軸分量；ψ α和ψβ為定子磁鏈在α-β 軸分量。

磁鏈方程為：

其中，Ls為電感在α-β 軸分量；θ為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度。

轉(zhuǎn)矩方程：

其中，電機極對數(shù)p=4。

■4.3 d-q 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

α-β 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過Park 變化可以轉(zhuǎn)換為d-q 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。

電壓方程為：

其中，ud和uq為定子電壓在d-q 軸分量；id和iq為定子電流在d-q 軸分量；ψd和ψq為定子磁鏈在d-q 軸分量；為微分算子。

磁鏈方程為：

其中，Ld和Lq為電感在d-q 軸分量。

轉(zhuǎn)矩方程為：

由公式（9）可知轉(zhuǎn)矩有前半部分的電磁轉(zhuǎn)矩和后半部分的磁阻轉(zhuǎn)矩組成，而磁阻轉(zhuǎn)矩是由凸極效應(yīng)所產(chǎn)生，本文采用的內(nèi)置式永磁同步電機有Ld=Lq的關(guān)系，則有：

電機的運動方程為：

其中，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；?r為轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速。

5 軟件設(shè)計

■5.1 主程序設(shè)計

風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的整體程序框架如圖4 所示。當(dāng)發(fā)出初始化指令后，PWM、AD、SCI、總線、GPIO 等中斷模塊進(jìn)行初始化，初始化后判斷系統(tǒng)是否正常，如果正常進(jìn)行啟動，若不正常再次初始化。當(dāng)系統(tǒng)正常時開始啟動，系統(tǒng)判斷是否過壓/欠壓，若果過壓或者欠壓者啟動保護(hù)，當(dāng)啟動系統(tǒng)保護(hù)時則禁止PWM 工作，如果正常則啟動標(biāo)志位為有效，滿足串口發(fā)送條件，則啟動串口發(fā)送，并且最大功率跟蹤MPPT。

圖4 主程序流程圖

■5.2 SVPWM 算法

當(dāng)內(nèi)環(huán)電流Id和Iq經(jīng)過PID 控制后輸出交流電壓矢量Vd和Vq，采用前饋解耦控制策略，Vd為：

Vd和Vq經(jīng)過PARK 逆變換即可得到Uα和Uβ，從而確定開關(guān)管的導(dǎo)通時間，SVPWM 的算法流程圖如圖5 所示。

圖5

6 測試結(jié)果分析

依據(jù)上述模擬風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，在研旭風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)仿真實驗平臺配置仿真參數(shù)，運行仿真軟件后，通過觀察記錄參數(shù)得到測試結(jié)果。

在上位機軟件安裝在主控臺的工控機中，打開“DirectDrivePlat”登陸，將整流器和逆變器全部開啟，當(dāng)?shù)顷懗晒?，出現(xiàn)如圖6 所示的主界面。

圖6 上位機軟件界面

經(jīng)測試，發(fā)電機三相交流電流波形如圖7 所示，直流母線電壓、電流波形如圖8 所示，電網(wǎng)電壓、電流波形如圖9 所示。可以看出，系統(tǒng)功率因數(shù)接近1，并網(wǎng)電流諧波含量較小。

圖7 發(fā)電機三相電流波形圖

圖8 直流母線電壓、電流波形圖

圖9 電網(wǎng)電壓、電流波形圖

其功率曲線如圖10 所示，呈現(xiàn)周期性變化，從最小風(fēng)速到最大風(fēng)速其功率隨著風(fēng)速增加而不斷增加，當(dāng)達(dá)到最大功率后，又會返回到所設(shè)定的最小風(fēng)速，再一次增加，以此不斷的循環(huán)。

圖10 功率曲線

風(fēng)機發(fā)電實時參數(shù)在隨著風(fēng)速變化而不斷變化（如圖11 所示），當(dāng)其電機轉(zhuǎn)速為377r/min 時，轉(zhuǎn)矩為7.9%，輸出頻率為16.60Hz，發(fā)電功率為0.2kW。

圖11 風(fēng)機發(fā)電實時參數(shù)

7 結(jié)論

本文對模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究，對并在仿真平臺上進(jìn)行了測試，結(jié)果表明并網(wǎng)電流呈現(xiàn)出較好的正弦波，基本實現(xiàn)風(fēng)能最大跟蹤控制。