直驱风力发电系统机侧控制策略的研究

摘要：以直驱风力发电系统为研究对象，选用背靠背双PWM的拓扑结构，针对永磁同步风力发电机机侧的控制策略进行分析。在建立永磁同步风力发电机数学模型的基础上，基于isd=0的转子磁场定向控制，设计了电流内环转速外环的双闭环控制器，并对控制原理在Matlab／Si mulink上进行仿真实验，验证了该控制策略的正确性。
关键词：直驱风力发电；PWM变流器；矢量控制；仿真分析

    永磁直驱风电系统，发电机的转子与风力机直接耦合，省去了齿轮箱，改善了机组的性能，提高了稳定性。永磁直驱风电系统不需要电励磁，提高了机组的发电效率。本文以直驱风力发电系统为研究对象，选取背靠背双PWM的拓扑结构。风力机定桨距下，风速不变时，输出功率随着转速变化，要跟踪最大输功率Pmax必须根据风速实时凋节转速ω以保持叶尖速比为λopt。因此最大风能捕获过程可理解成是转速的调节过程，即转速的调节性能决定最大风能捕获的效果，因此本文在建立永磁同步风力发电机数学模型的基础上，基于isd=0的转子磁场定向控制，机侧选取电流内环、转速外环的双闭环控制策略，实现电机的解耦，进而实现最大风能捕获。最后，根据控制原理，在Matlab／Simul ink中搭建了永磁风力发电系统机侧的仿真模型，并对其进行了仿真分析，仿真结果验证该控制策略的正确性，能达到预期的控制目1 永磁同步风电机的数学模型机侧主电路的拓扑结构如图1所示，为简化分析，作如下假设：永磁材料电导率为零，忽略漏感的影响，不考虑磁饱和的现象，定子各相电枢绕组电阻值、电感值相等，气隙分布均匀，转子磁链在气隙中正弦分布。由此得到其等效电路，根据等效电路通过坐标变换得到PMSG在两相同步旋转坐标系下的数学模型。

2 机侧的控制策略
    为满足风电系统的要求，实现最大风能的捕获，发电机转速应根据风速变化实时调整，快速响应，而对转速的调整也即是对转矩的控制，其控制策略有基于转子磁场定向矢量控制及基于定子磁场定向直接转矩控制，本文选取零d轴电流控制，即基于的转子磁场定向矢量控制，并在上一节永磁同步发电机的数学模型基础上，设计了电流内环转速外环的系统控制策略。其控制框图如图2所示。

    图2中通过前馈补偿的方法，加入ωeLqisq和ωeLqisd+ωwψf，作为干扰前馈项对耦合项ωeLqisq和ωeLdisd进行补偿。控制过程为，测量发电机的电角速度及定子电流iA、iB、iC，并利用坐标变换得到isd、isq，最佳转速ω*与实际转速ω比较后经PI调节器得到q轴电流的参考值，与直接电流值isq比较后经PI调节器后经电压补偿环节得到q轴电压的参考值usq。电流内环中，d轴电流参考值，与实际电流值进行比较后经PI环节冉经电压补偿环节得到d轴电压的参考值usd。usd与usq经过两相同步旋转dq坐标系到两相静止αβ坐标系的变换得到在αβ坐标系下的参考电压uα与uβ，利用空间矢量脉宽调制原理产生PWM波形来控制整流器的开关以达到对最大风能的捕获。

3 系统的仿真分析和结果
    为验证控制策略的正确性，按图2的控制框图，在simulink中搭建机侧控制模块如图3所示，取空气密度ρ=1．225，叶轮半径R=32m，设计永磁电机的参数：定子电阻Rs=6mΩ，Ld=Lq=8．5mH，np=32，用1200V的直流电压源代替直流侧电压。

    开关频率取2000Hz，风速在0．3s时由4m／s跃变到8m／s，观察输出波形，如图4所示。

    由图4看出风能利用系数能够稳定在最佳风能系数0．48的最优状态：由图5可看出，定子电流稳定为0，实现了=0的控制：在图6中，风速突变后，最终也能稳定在一个定值；从图7可以看出，发电机转速在风速为4m／s时稳定在对应该风速的最佳转速rad／s，而风速变到8m／s时，稳定在8m／s对应的rad／s，能快速响应，调节转速为最佳转速；而根据转速的响应变化，其机侧功率如图8所示，可见能实现最大风能的捕获。

4 结束语
    本系统采用背靠背双PWM变流器，根据实时的变化控制其电机性能，提高系统的效率。本文在建立了永磁风电系统的数学模型后，在最大风能捕获及电机的解耦控制基础上，在Matlab／Simulink下进行了建模仿真，仿真结果论证了基于的转子磁场定向矢量控制策略的可行性。仿真结果表明，该控制方法能根据风速变化文时跟踪电流和转速的变化，实现最大风能捕获，系统工作稳定。