直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模仿真研究

曾誠實

（國網(wǎng)臺州供電公司，浙江 臺州 318000）

0 引 言

根據(jù)實時風(fēng)速的不同，控制風(fēng)機功率的穩(wěn)定輸出。在額定風(fēng)速以下時，風(fēng)機需要實現(xiàn)風(fēng)機功率的最大捕獲和輸出；當(dāng)超過額定風(fēng)速時，受系統(tǒng)機械、發(fā)電機、變換器等額定條件限制，必須減少風(fēng)機捕獲的能量，利用變槳距技術(shù)使發(fā)電機的輸出功率維持在額定工況。

1 額定風(fēng)速下的最大風(fēng)能追蹤

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

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

直流電機擁有優(yōu)異的調(diào)速性能，由于直流電機的勵磁電流和主磁通成比例關(guān)系，只要控制勵磁電流穩(wěn)定，就能控制主磁通值保持不變。直流電機的轉(zhuǎn)矩值由相互不受影響的電流和主磁通聯(lián)合決定，因此直流電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可以分開獨立控制，調(diào)速性能優(yōu)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(fēng)機轉(zhuǎn)速進行控制，電機轉(zhuǎn)矩Te的計算公式為

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

在風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)能轉(zhuǎn)化過程中，PMSG 發(fā)電功率大小取決于葉片所捕獲的風(fēng)速，在槳距角不變的情況下，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速值在對應(yīng)的風(fēng)力機功率曲線圖上都有一個最優(yōu)的功率匹配點[3]。因此，風(fēng)力發(fā)電機組控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速也就控制了發(fā)電有功功率輸出，其總體雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 PMSG 控制系統(tǒng)框圖

由于發(fā)電機由永磁同步發(fā)電機，不存在無功功率交換，在dq坐標(biāo)系下，通過控制矢量可以產(chǎn)生對應(yīng)的電壓ud和uq以及電頻率fe，實現(xiàn)對發(fā)電機轉(zhuǎn)速的控制[4,5]。

2 額定風(fēng)速以上的功率控制

為保證在額定風(fēng)速以上時變槳距機組正常運行，需要通過調(diào)節(jié)槳距角，保持輸入功率在額定功率附近，同時減少強風(fēng)情況造成的不利影響。如果發(fā)電機轉(zhuǎn)速變大，那么發(fā)電機的有功功率輸出也必然增大，為保證機組各項狀態(tài)穩(wěn)定，可以通過變槳距技術(shù)，在風(fēng)速超過風(fēng)機額定值時，調(diào)節(jié)槳距角，抵消大風(fēng)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(tǒng)控制過程可知，當(dāng)β增大時，Pm會降低。當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速，Pm超過額定值時，需要調(diào)節(jié)葉片節(jié)距使β變化，保持發(fā)電機的輸出有功功率在允許的范圍之內(nèi)。

3 仿真模型的建立

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，在Simulink 軟件中建立相關(guān)的仿真模型，主要包括風(fēng)力機部分、傳動軸部分、發(fā)電機部分以及變流器部分，并進行仿真驗證。系統(tǒng)模塊采用的是葉尖速比法，如圖3 所示。

圖3 整體系統(tǒng)模塊

設(shè)置發(fā)電機額定功率為3.3 kW，相電壓為220 V，風(fēng)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(fēng)速為10 m/s，在3 s 時風(fēng)速變?yōu)?3 m/s，相關(guān)的仿真數(shù)據(jù)如圖4 ～圖8 所示。

圖4 發(fā)電輸出功率

圖5 葉尖速比與Cp

圖6 槳距角變化

圖7 風(fēng)機輸出轉(zhuǎn)矩

圖8 機械轉(zhuǎn)速變化

仿真結(jié)果顯示，機組在初始風(fēng)速下，風(fēng)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(fā)電機輸出功率穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化后，發(fā)電功率增大。超過額定風(fēng)速后，變槳距控制系統(tǒng)發(fā)揮作用，發(fā)電機功率經(jīng)過一個較短的暫態(tài)過程后能夠穩(wěn)定輸出，驗證了仿真模型的有效性。

4 結(jié) 論

通過分析直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各組成部分的數(shù)學(xué)模型，在Simulink 軟件環(huán)境中建立了系統(tǒng)的整體仿真控制模型，完成對PMSG 系統(tǒng)的仿真研究。仿真結(jié)果驗證了相關(guān)模型以及采用的控制方案的有效性。