论文部分内容阅读
摘要：文章以直驱永磁同步风力发电机组为对象，建立了包括风力机模型、传动系统模型和发电机模型的D-PMSG数学模型，提出了风力发电机转速控制最大功率追踪算法和桨距角控制策略。运用PSCAD/EMTDC建立D-PMSG仿真模型，对风速阶跃变化时机组运行情况进行了仿真，结果验证了该模型的合理性及控制策略的正确性和可行性。
关键词：风力发电；直驱永磁同步风力发电机组（D-PMSG）；转速控制；桨距角控制；最大功率跟踪控制
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）34-0046-03
风能作为一种清洁可再生能源，受到了世界各国的高度重视。为满足经济高速增长对电力供应的需求，我国发改委制定了中长期能源战略规划，力争到2020年，风电装机容量达到3000万kW将替代2200万吨标准煤，同时使我国的风电设计、制造和管理技术达到国际先进水平。因此发展风电已经是不可逆转的潮流，投资风电产业的企业目前应做的就是坚定信心，立足长运，充分研究，精心策划，积蓄力量准备迎接风电发展的高潮到来。
一、直驱风力发电系统数学模型
直驱永磁同步风力发电系统（Directly Driven Wind Turbine with Permanent Synchronous Generator，D-PMSG）主要包括变桨距控制的风力机、永磁同步发电机（PMSG）、全功率变换器以及控制系统等四大部分。其中全功率变换器又可以分为：机侧整流器（Generator-Side Rectifier，GSR）、直流环节（DC-link）和网侧逆变器（Grid-Side Inverter，GSI）。直驱永磁同步风力发电系统结构图如图1所示：
下面介绍一下风力机的运行特性和功率调节特性。风力机输出机械功率表达式分别为：
（1）
式中表示为风速（m/s）；为空气密度，单位为（）；为风轮的扫风半径，单位为（m）；表示风能利用系数。
叶尖速比的表达式为：
（2）
根据风力机不同风速下控制策略和空气动力学特性可知风力机最大功率跟踪控制过程在切入风速到额定风速之间，将叶尖比表达式代入（1）式得：
（3）
在、、不变的情况下，由式（1）知风力机获得的机械能为的函数，而又是、的函数，由此可见，对变化的风速在确定的浆距角的情况下需要有变化的相对应，才能保证总是保持最佳叶尖速比，才能使达到最大利用系数，获得最大机械能，此时的为最佳转矩。风力机最大输出功率和最优转矩表达式为：
（4）
其中，
在最大输出功率情况下的最优转速表达式为：
（6）
由图2所示的功率特性可以看出在不同的风速下，功率曲线上有唯一的转速对应唯一的一个最大功率点，这对最大功率的跟踪提供了基本思想，一是找到不同风速下的最优转速作为参考值，控制发电机的转速跟踪最优转速，以保证风力机获得最大功率；二是通过找到不同风速下的最大机械能作为参考值，将发电机输出功率作为反馈量跟踪最大机械能，从而达到风能最大跟踪的目的。
二、不可控模型转速控制最大功率跟踪算法
基于风能的充分利用，从分析风力机运行特性出发，针对变速恒频风力发电系统的特点，研究叶尖速比控制、功率信号反馈法[4]的最大风能捕获方法，总结其优缺点，本文采用转速控制风能跟踪算法。转速控制法结合了尖速比控制法和功率控制法两种控制思想，在风速变化的情况下以保持最优尖速比为目的，根据特性关系求得指定桨距角下的参考转速指令，通过dc-dc变换器利用参考转速指令控制发电机输出功率，使得发电机转速跟踪参考转速运行。转速控制算法的优点在于控制过程简单，以保持最优尖速比为条件，得到最优参考转速为控制指令，不需要得到确切的输出功率—风速曲线，使用范围广泛，克服了功率信号反馈法的缺点。
（一）参考转速搜索算法
由图3特性关系可知当桨距角为0，在保证的最优尖速比的情况下可获得风能利用系数最大（贝兹理论极限值为0.593），通常在小于等于额定风速情况下设定桨距角为理想值0，通过控制变流器占空比改变发电机出口等效电阻，调节发电机电磁转矩跟踪参考转速值，从而捕获风力机的最大风能。
特性关系表达式[5]如下所示：
（13）
其中，为风能利用系数；为叶尖速比；为桨距角。
参考转速搜索算法的中心思想是根据特性关系表达式，在从0～15的范围内以0.01步长计算不同桨距角下利用系数的值，并进行比较获得最大风能利用系数和其对应的，在根据公式（6）可计算得到不同风速下的参考最优转速。
最优参考转速的算法流程图如图4所示，T表示尖速比，angle表示桨距角，Cp表示风能利用系数。
（二）不可控模型DC-DC升压斩波（boost）回路转速跟踪控制算法
图 5 直流连接变流器转速控制算法框图
在不可控模型中，采用转速控制算法跟踪控制风力机输出的最大功率，达到风能最大利用的目的，转速控制通过直流连接环节IGBT管导通关断的占空比调节发电机出口等效电阻，实现转速跟踪参考转速。根据图5所示，参考转速与风力机实际转速的差值经PI调节器得到直流环节输入电流的参考值，再和实际输入电流比较后通过PI调节得到PWM控制的信号波，与三角波比较后得到控制直流连接环节的boost回路的占空比，调节发电机的转速，使其能够跟踪参考转速以获得最大输出功率。
（三）桨距角控制系统
本文设计以风机转速和功率为输入信号的桨距角控制器如图6所示，对桨距角的控制分为两路：一路是通过发电机机械转速与额定机械转速的差值经PI调节；另一路通过发电机输出功率与额定输出功率的差值进行比例调节。这样，在风力机运行过程中，出现输出功率大于额定功率或转速超过额定值的情况时，桨距角控制器将调节桨距角的输出值，随着值的增加控制风能利用系数减小，使得机组运行不超过额定转速和额定功率，从而保证机组运行的安全性。
三、仿真分析
根据上面对不可控模型转速控制最大功率算法的分析在PSCAD/EMTDC中建立直驱永磁同步风力发电系统的仿真模型，系统模型参数如表1和表2所示，桨距角控制系统的参数设置为：参考转速，风力机额定功率，比例系数K=2，机侧整流器控制回路参数设置为：功率环PI调节器比例参数，积分环节，d、q轴电流环节PI调节器比例参数，积分环节，仿真结果下所示：
图7是风力机的仿真结果，图7（a）是风速变化曲线，初始风速为10米/秒，t=2秒时风速跃变为13米/秒，t=4秒时风速跃变为15米/秒，t=6秒时风速跃变为17米/秒。图7（b）风力机转速曲线，在初始时风力机在风速10米/秒稳定运行，2秒时风速跃变为13米/秒，MPPT跟踪控制转速增加到额定转速，并在稳定运行，之后风速分别越至15米/秒和17米/秒，因发电机转速已经达到额定转速，此时桨距角控制系统启动调节，在这过程中保持风力机输出转速不变为1pu；图7（c）是风能利用系数随风速和风力机转速变化的曲线，风速跃变为13米/秒，由于风机惯性作用加速需要一定的时间，风能利用系数先降低后随转速不断接近最优转速而达到最大值，当风速超过13米/秒后，超过我的风速，桨距角控制系统增加桨距角使得值逐渐减小，以保持风力机运行在额定转速。图7（d）是直接功率控制最大风能跟踪功率输出曲线，在风速变化过程中，实际输出功率更正参考功率输出值变化，在风速跃变过程中，可以从图中看到实际输出功率变化情况。图7（e）桨距角控制调节过程中输出的桨距角由0度上升到，再上升到。
图8给出了发电机在风速变化时永磁同步发电机输出电压、电流、转矩和功率，可以看出在额定风速13米/秒以下时，发电机的电压、电流、转矩和功率通过变流器转速控制跟踪最大风能而变化，当超过额定风速后，它们就保持恒定值运行。
四、结语
本文结合永磁同步直驱风力发电系统的运行特性，提出了一种适用于永磁同步直驱风力发电机组的不可控变流器控制策略，在额定风速下，通过转速控制跟踪最大功率，超过额定风速后，通过桨距角控制系统使风力发电机组输出额定功率。系统仿真表明：转速控制法和桨距角控制器在风速变化过程中能够很好地追踪最大功率，达到控制不可控变流器的目标。
参考文献
[1] 梁宜．21世纪绿色电力的发展[J].水利电力科技，2002，28（2）.
[2] 余维洲．我国风电产业化发展的难点与前景[J]．经济管理，2009，（6）.
[3] 尹明，李庚银，张建成，赵巍然，薛轶峰．直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略[J].电网技术，2007，31（15）.
[4] 吴政球，干磊，曾议，冷贵峰，罗建中．风力发电最大风能追踪综述[J]．电力系统及其自动化学报，2009，21（4）.
[5] Jamal A. Baroudi，Venkata Dinavahi，Andrew M. Knight.A review of power converter topologies for wind generators
[J]．Renewable Energy，2007，（32）.
[6] Monica Chinchilla， Santigao Arnaltes， Juan Carlos Burgos. Control of Permanent - Magnet Generators Applied to Variable- Speed Wind - Energy Systems Connected to the Grid [J]．IEEE Transaction on Energy Conversion，2006，21（1）．
[7] 姚骏，廖勇，瞿兴鸿，刘刃．直驱永磁同步风力发电机的最佳风能跟踪控制电网技术[J]．2008，32（10）.
[8] 鲁闯，朱东柏，沈中元，刘密富，张小新．直驱风力发电系统MPPT控制方法的研究[J]．电侧与仪表，2008，45（512）.
作者简介：沈加敏（1981-），女，江苏联合职业技术学院硕士研究生，研究方向：风力发电、全功率变流器控制；王晓忠（1981-），男，江苏联合职业技术学院讲师，研究方向：控制
工程。
（责任编辑：陈 倩）
关键词：风力发电；直驱永磁同步风力发电机组（D-PMSG）；转速控制；桨距角控制；最大功率跟踪控制
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）34-0046-03
风能作为一种清洁可再生能源，受到了世界各国的高度重视。为满足经济高速增长对电力供应的需求，我国发改委制定了中长期能源战略规划，力争到2020年，风电装机容量达到3000万kW将替代2200万吨标准煤，同时使我国的风电设计、制造和管理技术达到国际先进水平。因此发展风电已经是不可逆转的潮流，投资风电产业的企业目前应做的就是坚定信心，立足长运，充分研究，精心策划，积蓄力量准备迎接风电发展的高潮到来。
一、直驱风力发电系统数学模型
直驱永磁同步风力发电系统（Directly Driven Wind Turbine with Permanent Synchronous Generator，D-PMSG）主要包括变桨距控制的风力机、永磁同步发电机（PMSG）、全功率变换器以及控制系统等四大部分。其中全功率变换器又可以分为：机侧整流器（Generator-Side Rectifier，GSR）、直流环节（DC-link）和网侧逆变器（Grid-Side Inverter，GSI）。直驱永磁同步风力发电系统结构图如图1所示：
下面介绍一下风力机的运行特性和功率调节特性。风力机输出机械功率表达式分别为：
（1）
式中表示为风速（m/s）；为空气密度，单位为（）；为风轮的扫风半径，单位为（m）；表示风能利用系数。
叶尖速比的表达式为：
（2）
根据风力机不同风速下控制策略和空气动力学特性可知风力机最大功率跟踪控制过程在切入风速到额定风速之间，将叶尖比表达式代入（1）式得：
（3）
在、、不变的情况下，由式（1）知风力机获得的机械能为的函数，而又是、的函数，由此可见，对变化的风速在确定的浆距角的情况下需要有变化的相对应，才能保证总是保持最佳叶尖速比，才能使达到最大利用系数，获得最大机械能，此时的为最佳转矩。风力机最大输出功率和最优转矩表达式为：
（4）
其中，
在最大输出功率情况下的最优转速表达式为：
（6）
由图2所示的功率特性可以看出在不同的风速下，功率曲线上有唯一的转速对应唯一的一个最大功率点，这对最大功率的跟踪提供了基本思想，一是找到不同风速下的最优转速作为参考值，控制发电机的转速跟踪最优转速，以保证风力机获得最大功率；二是通过找到不同风速下的最大机械能作为参考值，将发电机输出功率作为反馈量跟踪最大机械能，从而达到风能最大跟踪的目的。
二、不可控模型转速控制最大功率跟踪算法
基于风能的充分利用，从分析风力机运行特性出发，针对变速恒频风力发电系统的特点，研究叶尖速比控制、功率信号反馈法[4]的最大风能捕获方法，总结其优缺点，本文采用转速控制风能跟踪算法。转速控制法结合了尖速比控制法和功率控制法两种控制思想，在风速变化的情况下以保持最优尖速比为目的，根据特性关系求得指定桨距角下的参考转速指令，通过dc-dc变换器利用参考转速指令控制发电机输出功率，使得发电机转速跟踪参考转速运行。转速控制算法的优点在于控制过程简单，以保持最优尖速比为条件，得到最优参考转速为控制指令，不需要得到确切的输出功率—风速曲线，使用范围广泛，克服了功率信号反馈法的缺点。
（一）参考转速搜索算法
由图3特性关系可知当桨距角为0，在保证的最优尖速比的情况下可获得风能利用系数最大（贝兹理论极限值为0.593），通常在小于等于额定风速情况下设定桨距角为理想值0，通过控制变流器占空比改变发电机出口等效电阻，调节发电机电磁转矩跟踪参考转速值，从而捕获风力机的最大风能。
特性关系表达式[5]如下所示：
（13）
其中，为风能利用系数；为叶尖速比；为桨距角。
参考转速搜索算法的中心思想是根据特性关系表达式，在从0～15的范围内以0.01步长计算不同桨距角下利用系数的值，并进行比较获得最大风能利用系数和其对应的，在根据公式（6）可计算得到不同风速下的参考最优转速。
最优参考转速的算法流程图如图4所示，T表示尖速比，angle表示桨距角，Cp表示风能利用系数。
（二）不可控模型DC-DC升压斩波（boost）回路转速跟踪控制算法
图 5 直流连接变流器转速控制算法框图
在不可控模型中，采用转速控制算法跟踪控制风力机输出的最大功率，达到风能最大利用的目的，转速控制通过直流连接环节IGBT管导通关断的占空比调节发电机出口等效电阻，实现转速跟踪参考转速。根据图5所示，参考转速与风力机实际转速的差值经PI调节器得到直流环节输入电流的参考值，再和实际输入电流比较后通过PI调节得到PWM控制的信号波，与三角波比较后得到控制直流连接环节的boost回路的占空比，调节发电机的转速，使其能够跟踪参考转速以获得最大输出功率。
（三）桨距角控制系统
本文设计以风机转速和功率为输入信号的桨距角控制器如图6所示，对桨距角的控制分为两路：一路是通过发电机机械转速与额定机械转速的差值经PI调节；另一路通过发电机输出功率与额定输出功率的差值进行比例调节。这样，在风力机运行过程中，出现输出功率大于额定功率或转速超过额定值的情况时，桨距角控制器将调节桨距角的输出值，随着值的增加控制风能利用系数减小，使得机组运行不超过额定转速和额定功率，从而保证机组运行的安全性。
三、仿真分析
根据上面对不可控模型转速控制最大功率算法的分析在PSCAD/EMTDC中建立直驱永磁同步风力发电系统的仿真模型，系统模型参数如表1和表2所示，桨距角控制系统的参数设置为：参考转速，风力机额定功率，比例系数K=2，机侧整流器控制回路参数设置为：功率环PI调节器比例参数，积分环节，d、q轴电流环节PI调节器比例参数，积分环节，仿真结果下所示：
图7是风力机的仿真结果，图7（a）是风速变化曲线，初始风速为10米/秒，t=2秒时风速跃变为13米/秒，t=4秒时风速跃变为15米/秒，t=6秒时风速跃变为17米/秒。图7（b）风力机转速曲线，在初始时风力机在风速10米/秒稳定运行，2秒时风速跃变为13米/秒，MPPT跟踪控制转速增加到额定转速，并在稳定运行，之后风速分别越至15米/秒和17米/秒，因发电机转速已经达到额定转速，此时桨距角控制系统启动调节，在这过程中保持风力机输出转速不变为1pu；图7（c）是风能利用系数随风速和风力机转速变化的曲线，风速跃变为13米/秒，由于风机惯性作用加速需要一定的时间，风能利用系数先降低后随转速不断接近最优转速而达到最大值，当风速超过13米/秒后，超过我的风速，桨距角控制系统增加桨距角使得值逐渐减小，以保持风力机运行在额定转速。图7（d）是直接功率控制最大风能跟踪功率输出曲线，在风速变化过程中，实际输出功率更正参考功率输出值变化，在风速跃变过程中，可以从图中看到实际输出功率变化情况。图7（e）桨距角控制调节过程中输出的桨距角由0度上升到，再上升到。
图8给出了发电机在风速变化时永磁同步发电机输出电压、电流、转矩和功率，可以看出在额定风速13米/秒以下时，发电机的电压、电流、转矩和功率通过变流器转速控制跟踪最大风能而变化，当超过额定风速后，它们就保持恒定值运行。
四、结语
本文结合永磁同步直驱风力发电系统的运行特性，提出了一种适用于永磁同步直驱风力发电机组的不可控变流器控制策略，在额定风速下，通过转速控制跟踪最大功率，超过额定风速后，通过桨距角控制系统使风力发电机组输出额定功率。系统仿真表明：转速控制法和桨距角控制器在风速变化过程中能够很好地追踪最大功率，达到控制不可控变流器的目标。
参考文献
[1] 梁宜．21世纪绿色电力的发展[J].水利电力科技，2002，28（2）.
[2] 余维洲．我国风电产业化发展的难点与前景[J]．经济管理，2009，（6）.
[3] 尹明，李庚银，张建成，赵巍然，薛轶峰．直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略[J].电网技术，2007，31（15）.
[4] 吴政球，干磊，曾议，冷贵峰，罗建中．风力发电最大风能追踪综述[J]．电力系统及其自动化学报，2009，21（4）.
[5] Jamal A. Baroudi，Venkata Dinavahi，Andrew M. Knight.A review of power converter topologies for wind generators
[J]．Renewable Energy，2007，（32）.
[6] Monica Chinchilla， Santigao Arnaltes， Juan Carlos Burgos. Control of Permanent - Magnet Generators Applied to Variable- Speed Wind - Energy Systems Connected to the Grid [J]．IEEE Transaction on Energy Conversion，2006，21（1）．
[7] 姚骏，廖勇，瞿兴鸿，刘刃．直驱永磁同步风力发电机的最佳风能跟踪控制电网技术[J]．2008，32（10）.
[8] 鲁闯，朱东柏，沈中元，刘密富，张小新．直驱风力发电系统MPPT控制方法的研究[J]．电侧与仪表，2008，45（512）.
作者简介：沈加敏（1981-），女，江苏联合职业技术学院硕士研究生，研究方向：风力发电、全功率变流器控制；王晓忠（1981-），男，江苏联合职业技术学院讲师，研究方向：控制
工程。
（责任编辑：陈 倩）