0 引言

　　直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)組具有可靠性高、發(fā)電效率高、運(yùn)行及維護(hù)成本低、電網(wǎng)接入性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，使得直驅(qū)式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制技術(shù)中的直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control，DTC)具有轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴少、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、本質(zhì)上無(wú)位置傳感器等優(yōu)點(diǎn)。DTC-PMSG應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)合，通過(guò)采用離散空間矢量調(diào)制技術(shù)，改善了風(fēng)機(jī)模擬系統(tǒng)的低速性能[1]。針對(duì)永磁電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，文獻(xiàn)[2-8]利用矢量控制技術(shù)，提出幾種方法來(lái)估測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的信息和推導(dǎo)系統(tǒng)的控制準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[4]采用自適應(yīng)控制技術(shù)、文獻(xiàn)[5]采用中心差分濾波算法、文獻(xiàn)[6]采用滑模觀測(cè)器法、文獻(xiàn)[7-8]采用反電動(dòng)勢(shì)法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器控制。但文獻(xiàn)[4-6]算法計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。文獻(xiàn)[8]在電機(jī)高速運(yùn)行范圍內(nèi)，顯示出了反電動(dòng)勢(shì)法的有效性和實(shí)用性。通常風(fēng)速較低時(shí)，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)，可以避免反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器法在低轉(zhuǎn)速下的估計(jì)不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。

　　以最大風(fēng)能捕獲為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在不同風(fēng)速下的控制目標(biāo)，本文提出一種既不依賴于風(fēng)速測(cè)量及轉(zhuǎn)速測(cè)量，又具有較高控制精度的風(fēng)能捕捉策略，利用風(fēng)力機(jī)特性和永磁同步電機(jī)功率特性實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)能較大程度的利用。

1 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型

　　1.1 風(fēng)力機(jī)模型

　　風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并通過(guò)風(fēng)輪軸向發(fā)電機(jī)輸送能量的裝置。風(fēng)力機(jī)的功率及葉尖速比為：

　　式中，?籽為空氣密度(kg/m3)；r為風(fēng)輪半徑(m)；風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速(rad/s)；Pm為風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率；?姿為葉尖速比；為槳距角。而Cp的計(jì)算公式如下：

　　1.2 永磁同步發(fā)電機(jī)模型

　　由于永磁同步電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系十分復(fù)雜，建立精確的數(shù)學(xué)模型比較困難。為簡(jiǎn)化分析，通過(guò)假設(shè)和坐標(biāo)變換理論，可以推導(dǎo)出兩相靜止坐標(biāo)系中PMSG定子磁鏈及電磁轉(zhuǎn)矩方程，具體如下：

　　式中：us、is、?追s分別為定子電壓矢量、電流矢量及磁鏈?zhǔn)噶?，這些矢量在?琢、?茁坐標(biāo)上的投影分別用下標(biāo)“s?琢”和“s ?茁”標(biāo)注。Rs、pn分別為定子電阻和磁極對(duì)數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

　　永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：

　　式中，B是摩擦系數(shù)，J是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Tm是輸入給永磁電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

2 發(fā)電機(jī)組控制策略與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略

　　2.1.1 速度觀測(cè)器

　　與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)摒棄了解耦的思想，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換和計(jì)算。即控制系統(tǒng)不用得到精確的位置估計(jì)來(lái)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，只需要觀測(cè)作為參考輸入的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。在仍然沿用理想電機(jī)模型的一系列假設(shè)的前提下，內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)靜止兩相?琢、?茁坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型[7]可表示：

　　其中，u、i、e、?棕分別為電壓矢量、電流矢量、電動(dòng)勢(shì)及角速度，這些矢量在?琢、?茁坐標(biāo)上的投影分別用下標(biāo)“?琢”和“?茁”標(biāo)注。Ld、Lq分別為發(fā)電機(jī)d、q軸電感；p為微分算子；Rs為定子電阻；KE為反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；微分運(yùn)算符“′”僅對(duì)iq有效。本文中應(yīng)用的反電動(dòng)勢(shì)法主要由用于估計(jì)反電動(dòng)勢(shì)的觀測(cè)器和用于獲取轉(zhuǎn)子信息的鎖相環(huán)組成。由式(9)可獲得反電動(dòng)勢(shì)[e?琢  e?茁]T，再將其作為鎖相環(huán)的輸入。估計(jì)反電動(dòng)勢(shì)的觀測(cè)器和鎖相環(huán)如圖1(a)、(b)所示。鎖相環(huán)的兩相輸入本身異號(hào)，故調(diào)節(jié)器的右邊為兩個(gè)信號(hào)的相加。圖中，通過(guò)一個(gè)低通濾波器濾出的電動(dòng)勢(shì)的相位即包含了轉(zhuǎn)子位置的信息。

　　2.1.2 統(tǒng)一變槳距控制

　　采用變槳距控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，能夠獲得最大升力，提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用率；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)其額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率能保持穩(wěn)定，最終使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率得到了提高。這里變槳距控制系統(tǒng)如圖2所示。通常情況下，槳距角的調(diào)整范圍為-2°～30°，并在最高速率±10°/s間變化。

　　2.1.3 風(fēng)能捕獲

　　在給定風(fēng)速下，只有尖速比最優(yōu)時(shí)，才能獲得最大的風(fēng)機(jī)能量。當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子速度相應(yīng)地改變以保護(hù)最優(yōu)的尖速比，從可以利用的風(fēng)資源中獲取最大功率輸出。在兩相靜止坐標(biāo)系下，永磁同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率為：

　　考慮定子銅耗：

　　忽略鐵耗和機(jī)械損耗后的功率方程為：

　　通過(guò)風(fēng)機(jī)特性方程式(1)與(12)聯(lián)合，在Pm和最大風(fēng)力利用系數(shù)Cpmax時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)參考轉(zhuǎn)速：

　　此時(shí)，發(fā)電機(jī)有功功率Pe與風(fēng)機(jī)機(jī)械功率Pm不斷變化，參考轉(zhuǎn)速也在不斷變化，直至達(dá)到所處風(fēng)速下的最優(yōu)功率值。

　　2.2 帶有速度觀測(cè)器的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)上述理論分析結(jié)果，構(gòu)建如圖3所示的帶有速度觀測(cè)器的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能捕獲控制策略框圖。

　　對(duì)永磁同步電機(jī)的控制主要由發(fā)電機(jī)和電機(jī)側(cè)的PWM變流器完成。首先，將檢測(cè)得到的電機(jī)電壓和電流信號(hào)進(jìn)行從三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換，經(jīng)過(guò)磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器對(duì)電機(jī)的定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行觀測(cè)，得到當(dāng)前狀態(tài)下磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值；然后，分別與定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的給定值進(jìn)行滯環(huán)比較；最后，利用比較器的輸出結(jié)果再與磁鏈?zhǔn)噶克诘目臻g扇區(qū)號(hào)共同決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制。

　　以定子電壓、定子電流及其他相關(guān)參數(shù)計(jì)算得到的參考轉(zhuǎn)速為被控變量，對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制；與此同時(shí)，同樣用定子電流、定子電壓及相關(guān)參數(shù)計(jì)算得到估計(jì)轉(zhuǎn)速。利用與估計(jì)轉(zhuǎn)速通過(guò)控制器得到電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制。

3 實(shí)驗(yàn)研究

　　本文實(shí)驗(yàn)中采用的2 MW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。為了驗(yàn)證所提出的速度觀測(cè)器法的有效性及實(shí)用性，選取的風(fēng)速應(yīng)當(dāng)包含高于額定風(fēng)速和低于額定風(fēng)速的情況。仿真中用到的風(fēng)速曲線如圖4所示，變化范圍在9～16 m/s。當(dāng)觀測(cè)的轉(zhuǎn)速不作為控制系統(tǒng)的輸入時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與估計(jì)轉(zhuǎn)速對(duì)比如圖5所示?？梢詮膱D中看出，在0～2 s期間，估計(jì)的轉(zhuǎn)速并不能很好地跟蹤實(shí)際的轉(zhuǎn)速；在2～20 s期間，除了有很小的滯后之外，估計(jì)轉(zhuǎn)速能較準(zhǔn)確地跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速的變化，并且具有較高的檢測(cè)精度。

　　根據(jù)提出的控制策略，下面把觀測(cè)的轉(zhuǎn)速作為控制系統(tǒng)的輸入，并且與安裝傳感器的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行比較分析。由于圖5中，實(shí)際的轉(zhuǎn)速與估計(jì)的轉(zhuǎn)速在到達(dá)一定時(shí)間后才達(dá)到估計(jì)精度的要求，所以在6～20 s期間分別對(duì)有速度傳感器和無(wú)速度傳感器的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率、風(fēng)力利用系數(shù)、電網(wǎng)側(cè)有功功率進(jìn)行仿真對(duì)比，分別如圖6、圖7、圖8和圖9所示。其中上圖為無(wú)速度傳感器的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行情況，下圖為帶有速度傳感器的風(fēng)電系統(tǒng)。

　　圖4中，6～12 s時(shí)間段內(nèi)為風(fēng)速小于額定風(fēng)速12 m/s的情況。6～12 s時(shí)間段內(nèi)，風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率將低于其他時(shí)間段；而整個(gè)控制過(guò)程中此時(shí)間段的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也小于其額定轉(zhuǎn)速。由圖6和圖7可以看出，在實(shí)際的運(yùn)行中，估計(jì)的轉(zhuǎn)速仍然延遲于實(shí)際的轉(zhuǎn)速，無(wú)傳感器的風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率在6～7 s略有下降，但此后并不影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行。圖8、圖9中的對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)，風(fēng)能利用系數(shù)Cp在6～12 s的時(shí)間段內(nèi)，捕獲風(fēng)能的能力不理想，所以在這時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率和電網(wǎng)側(cè)的有功功率也比較低。但在12 s以后，基本上風(fēng)力利用系數(shù)都達(dá)到了最大值0.438附近。

4 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)通過(guò)在全風(fēng)速范圍內(nèi)采用變槳距控制，有效限制了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速；對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用速度觀測(cè)器法來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲控制，使電網(wǎng)側(cè)功率變換器電網(wǎng)有功功率具有較好的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，提出的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組速度觀測(cè)器法具有實(shí)用的控制效果，不僅實(shí)現(xiàn)快速風(fēng)速跟蹤和準(zhǔn)確地估計(jì)轉(zhuǎn)速，且對(duì)于風(fēng)速波動(dòng)的未知干擾具有較強(qiáng)的魯棒性。

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