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《電機與控制應用雜志》2016年第一期

摘要:

分析了風力機的輸出特性，建立了風力機模型，通過比較風力機和永磁同步電機(PMSM)特性，提出了基于PMSM風力機模擬的轉矩-轉速控制方案;對PMSM采用id=0的矢量控制方案，滿足風力機轉矩輸出特性的模擬要求。該風力機模擬系統應用于離網型變速恒頻永磁同步風力發電系統，實現了風力機在不同風速、全轉速范圍的風力機特性輸出，滿足了永磁同步風力發電系統進行最大功率追蹤的需要。搭建了一套完整的風力發電模擬試驗平臺，驗證了PMSM模擬風力機的可行性。

關鍵詞:

風力機模擬;永磁同步電機;風力發電系統;矢量控制;最大功率追蹤

風力發電作為一種清潔、可再生的綠色能源利用方式，已成為解決全球性的能源與環境危機的重要途徑之一［1-2］。風力發電的實際應用乃至更大范圍的推廣，都將依賴于風力發電技術的日益發展與成熟［3-4］。風力發電系統是相對比較復雜的機電能量轉換系統，系統中的電力電子變流器裝置及其對應的控制技術等仍然需要大量的試驗研究。但是在實驗室條件下，通常不具備風場條件和風力機，因此對風電技術的實驗室研究帶來了很大的限制。通常的解決方案是使用電動機模擬風力機在實際風場環境下的輸出特性，從而代替實際風力機在風電系統中的驅動作用，構成完整的風力發電系統。因此，在實驗室條件下，對風力機模擬器(WindTurbineSimulator，WTS)的研究與應用，對風電技術的研究具有十分重要的價值［5-11］。在WTS研究中，大部分采用直流電機［12-15］和感應電機［16-18］。

但是由于直流電機本身存在電刷和滑環，限制其功率的提高，不適于構建兆瓦級大功率風電試驗平臺。近年來，隨著電力電子技術及變頻技術的發展，采用異步電機和永磁同步電機(PermanentMagnetSynchronousMachine，PMSM)實現WTS的方案逐步被提出和研究。文獻［17］采用基于離散空間矢量調制的異步電機模擬風力機特性，改善了傳統異步電機直接轉矩控制帶來的低速轉矩脈動大、電流畸變等缺點。文獻［18］利用變頻器、異步電機等構建了WTS系統，模擬器采用轉速外環而沒有直接輸出轉矩特性，但其性能還有待提高。文獻［19］采用PMSM模擬了穩態時的風力機特性。文獻［20］提出采用直接轉矩控制的方案對WTS進行設計。相對于異步電機解耦及控制復雜的缺點，PMSM具有結構簡單、功率因數高、轉矩特性好、調速范圍寬、控制算法相對簡單等特點，因此PMSM作為WTS的可行性較強［21-23］。本文以PMSM作為原動機，提出并設計了一套完整的風力機模擬方案，模擬風力機輸出的靜態特性和動態特性。在對風力機動靜態特性分析的基礎上，提出了對PMSM的轉矩控制方案。試驗結果驗證了文中理論分析的正確性和控制方案的可行性。

1風力機及PMSM特性分析

1．1風力機特性通常的風力機為水平軸、三葉片、上風向的結構［19-20］。根據空氣動力學知識，風力機的輸出功率和輸出轉矩。本文設定槳距角β恒等于零，風能利用系數Cp和葉尖速比λ之間的關系如圖1所示。對于一個特定的風力機，Cp是λ的單值函數，并且有唯一的峰值點，Cp峰值對應的風能利用系數稱為最大風能利用系數，用Cpmax表示，對應的葉尖速比稱為最佳葉尖速比，用λopt表示。當λ大于或者小于λopt時，風能利用系數都會小于最大值，導致風機效率降低。根據上述分析，本文所構建的WTS的功率-轉速和轉矩-轉速特性如圖2所示。由于功率輸出曲線和轉矩輸出曲線均反映了風力機的輸出特性，因此只要針對其中一條曲線設計對電機的控制方案，即可完成風力機的輸出特性模擬。在實現過程中，輸出轉矩特性模擬相對控制簡單，因此本文模擬風力機的轉矩輸出特性。

1．2PMSM特性分析PMSM的定子繞組做成三相正弦分布繞組，轉子采用永磁體代替電勵磁，當在定子繞組中通以三相對稱交流電時，就能產生恒定的電磁轉矩，并且在定子繞組中感應出正弦波反電勢。PMSM具有體積小、結構簡單、功率因數高、輸出機械特性好等優點，在眾多伺服、調速等場合被廣泛應用。本文選用表貼式PMSM作為WTS，并采用矢量控制技術進行控制。

1．3基于PMSM的WTS實現圖3所示為本文設計的風力發電模擬試驗平臺。其中虛線部分為風力機模擬器部分，包括上位機、主控制板(TMS320F28335DSP)、主功率板、PMSM。模擬器負載為永磁同步發電機及其變流器整流部分。上位機系統采用PC機配以基于MFC的風力發電系統上位機程序，用以實現系統平臺的啟停、風速設定、風力機運行模式、發電機運行追蹤模式等功能，同時顯示系統平臺運行過程中的實時轉速、轉矩、電流波形等參數。主控制板部分通過串口接收上位機運行指令，根據實時風速、轉速信息控制WTS的輸出轉矩和永磁同步發電機的轉速。主功率板部分接收控制在PMSM正確模擬風力機轉矩特性的同時，通過控制永磁同步發電機的轉速，即可控制風力機負載大小。圖4所示為主控制部分實現WTS轉矩輸出的原理圖。控制器通過串口接收當前風速，在計算風力機當前轉速之后，根據設定的風力機固有特性計算參考轉矩，參考轉矩乘以系數Kt［Kt=2/(3pψf)］即得q軸電流給定值i*q;給定dq軸電流和反饋解耦得到的dq軸電流經過電流環PI調節之后，再通過矢量控制相關算法計算各相橋臂占空比并且驅動開關管通斷;母線電壓Udc由單相不控橋式整流電路并接濾波電容獲得。

2仿真

為了驗證本文所提出方案的可行性，在MATLAB/Simulink仿真軟件中進行了基于PMSM的WTS轉矩輸出特性的仿真研究。表1所示為仿真試驗系統主要參數。風速一定時，風力機拖動永磁同步發電機，通過控制發電機轉速逐漸升高，則實時的葉尖速比逐漸從零上升到較大值。根據上述對風力機的轉矩輸出特性模擬方案可知，相對應的風力機輸出轉矩先上升后下降。隨著風力機輸出轉速的上升，當風力機輸出轉矩與負載轉矩平衡時，轉速維持在某個較高轉速達到平衡。這個負載轉矩即發電機能提供的轉矩和對應轉速的摩擦轉矩之和。圖5所示為風速在7m/s、8m/s、9m/s時，風力機在全轉速范圍內的輸出轉矩-轉速特性曲線。WTS輸出轉矩特性與風力機的轉矩特性吻合，說明了PMSM作為WTS的可行性以及本文所提的轉矩特性模擬方案的正確性。

3試驗

圖6所示為風力發電系統試驗平臺。其中WTS部分包括PMSM、主控制板、主功率板等，發電機部分包括永磁同步發電機、主控制板、主功率板、直流負載等。試驗所用電機參數與仿真參數相同。圖7(a)、7(b)給出風速為7m/s時，WTS運行在200r/min、300r/min、400r/min、500r/min時的轉速、轉矩曲線;圖7(c)、7(d)為風速為9m/s時WTS運行在不同轉速下的轉矩輸出曲線。不同風速下，風力機轉速變化時，能很快地跟蹤上相應的目標轉矩，并且輸出轉矩波動較小，說明WTS具有足夠的轉矩輸出能力及較快的轉矩響應能力。圖8所示為風速為7m/s、8m/s和9m/s時的WTS轉矩-轉速輸出特性。試驗中，為了克服較低轉速下的功率板損耗和摩擦阻力，轉速較低階段采用恒轉矩輸出。轉速達到轉速上限時，模擬器輸出轉矩和負載提供的轉矩達到平衡，轉速維持在轉速上限值。全轉速范圍內的轉矩特性輸出是對風力機運行在給定風速下不同轉速點的轉矩輸出，反映了WTS模擬輸出風機靜態轉矩的能力。在全轉速范圍內，WTS模擬輸出的各個靜態工作點都跟蹤上了風力機的目標轉速，實現了風力機的轉矩特性模擬。

4結語

本文分析了風力機特性和PMSM輸出轉矩特性，提出了基于PMSM矢量控制的風力機模擬方案。采用id=0的電流控制方案，通過控制旋轉坐標系q軸電流分量來跟蹤不同轉速下的轉矩特性，從而模擬風力機的轉矩-轉速特性曲線。仿真和試驗結果都表明了PMSM作為WTS原動機以及本文所提出控制方案的可行性。構建了一套完整的直驅式風力發電模擬平臺，為作為風力機負載的直驅式永磁同步風力發電機控制的研究奠定了基礎。

【參考文獻】

［1］雷亞洲．風力發電與電力市場［J］．電力系統自動化，2005，29(10):1-5．

［2］徐培鳳，劉賢興，施凱．垂直軸離網型異步電機風力發電系統控制和能量管理策略［J］．電力系統自動化，2013，37(14):13-18．

［3］姚駿，廖勇，李輝，等．直驅永磁同步風力發電機單位功率因數控制［J］．電機與控制學報，2010，14(6):13-20．

［4］吳國祥，黃建明，陳國呈，等．變速恒頻雙饋風力發電運行綜合控制策略［J］．電機與控制學報，2008，12(4):435-441．

［5］劉其輝，賀益康，張建華．并網型交流勵磁變速恒頻風力發電系統控制研究［J］．中國電機工程學報，2006(23):109-114．

［6］趙永祥，夏長亮，宋戰鋒，等．變速恒頻風力發電系統風機轉速非線性PID控制［J］．中國電機工程學報，2008，28(11):133-138．

［7］趙仁德，王永軍，張加勝．直驅式永磁同步風力發電系統最大功率追蹤控制［J］．中國電機工程學報，2009，29(27):106-111．

［8］郭金東，趙棟利，林資旭，等．兆瓦級變速恒頻風力發電機組控制系統［J］．中國電機工程學報，2007，27(2):1-5．

［9］沈建新，繆冬敏．變速永磁同步發電機系統及控制策略［J］．電工技術學報，2013，28(3):1-8．

［10］ISHAQUEK，SALAMZ．Adeterministicparticleswarmoptimizationmaximumpowerpointtrackerforphotovoltaicsystemunderpartialshadingcondition［J］．IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2013，60(8):3195-3206．

作者：馮承超 顏建虎 劉丹 李強 單位：南京理工大學