0 引言

　　直驅(qū)永磁同步發(fā)電機組具有可靠性高、發(fā)電效率高、運行及維護成本低、電網(wǎng)接入性能優(yōu)異等優(yōu)點，使得直驅(qū)式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)受到了越來越多的關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電機控制技術(shù)中的直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control，DTC)具有轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)迅速、對電機參數(shù)依賴少、控制結(jié)構(gòu)簡潔、本質(zhì)上無位置傳感器等優(yōu)點。DTC-PMSG應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電場合，通過采用離散空間矢量調(diào)制技術(shù)，改善了風(fēng)機模擬系統(tǒng)的低速性能[1]。針對永磁電機運行狀態(tài)，文獻[2-8]利用矢量控制技術(shù)，提出幾種方法來估測電機轉(zhuǎn)子的信息和推導(dǎo)系統(tǒng)的控制準則。文獻[4]采用自適應(yīng)控制技術(shù)、文獻[5]采用中心差分濾波算法、文獻[6]采用滑模觀測器法、文獻[7-8]采用反電動勢法來實現(xiàn)無傳感器控制。但文獻[4-6]算法計算量大，實現(xiàn)復(fù)雜。文獻[8]在電機高速運行范圍內(nèi)，顯示出了反電動勢法的有效性和實用性。通常風(fēng)速較低時，兆瓦級風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于停機狀態(tài)，可以避免反電動勢觀測器法在低轉(zhuǎn)速下的估計不準確的缺點。

　　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，本文提出一種既不依賴于風(fēng)速測量及轉(zhuǎn)速測量，又具有較高控制精度的風(fēng)能捕捉策略，利用風(fēng)力機特性和永磁同步電機功率特性實現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)風(fēng)能較大程度的利用。

1 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組模型

　　1.1 風(fēng)力機模型

　　風(fēng)力機是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，并通過風(fēng)輪軸向發(fā)電機輸送能量的裝置。風(fēng)力機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)力機轉(zhuǎn)速(rad/s)；Pm為風(fēng)力機機械功率；?姿為葉尖速比；為槳距角。而Cp的計算公式如下：

　　1.2 永磁同步發(fā)電機模型

　　由于永磁同步電機內(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。為簡化分析，通過假設(shè)和坐標變換理論，可以推導(dǎo)出兩相靜止坐標系中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、電流矢量及磁鏈矢量，這些矢量在?琢、?茁坐標上的投影分別用下標“s?琢”和“s ?茁”標注。Rs、pn分別為定子電阻和磁極對數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

　　永磁同步電機的轉(zhuǎn)子運動方程為：

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

2 發(fā)電機組控制策略與控制系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的控制策略

　　2.1.1 速度觀測器

　　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)雜的變換和計算。即控制系統(tǒng)不用得到精確的位置估計來轉(zhuǎn)換坐標，只需要觀測作為參考輸入的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。在仍然沿用理想電機模型的一系列假設(shè)的前提下，內(nèi)埋式永磁同步電機靜止兩相?琢、?茁坐標系數(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、電動勢及角速度，這些矢量在?琢、?茁坐標上的投影分別用下標“?琢”和“?茁”標注。Ld、Lq分別為發(fā)電機d、q軸電感；p為微分算子；Rs為定子電阻；KE為反電動勢常數(shù)；微分運算符“′”僅對iq有效。本文中應(yīng)用的反電動勢法主要由用于估計反電動勢的觀測器和用于獲取轉(zhuǎn)子信息的鎖相環(huán)組成。由式(9)可獲得反電動勢[e?琢  e?茁]T，再將其作為鎖相環(huán)的輸入。估計反電動勢的觀測器和鎖相環(huán)如圖1(a)、(b)所示。鎖相環(huán)的兩相輸入本身異號，故調(diào)節(jié)器的右邊為兩個信號的相加。圖中，通過一個低通濾波器濾出的電動勢的相位即包含了轉(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)電機組在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，能夠獲得最大升力，提升風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)能利用率；當(dāng)風(fēng)速超過其額定風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率能保持穩(wěn)定，最終使風(fēng)力發(fā)電機組的發(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，才能獲得最大的風(fēng)機能量。當(dāng)風(fēng)速改變時，風(fēng)機轉(zhuǎn)子速度相應(yīng)地改變以保護最優(yōu)的尖速比，從可以利用的風(fēng)資源中獲取最大功率輸出。在兩相靜止坐標系下，永磁同步發(fā)電機輸出的有功功率為：

　　考慮定子銅耗：

　　忽略鐵耗和機械損耗后的功率方程為：

　　通過風(fēng)機特性方程式(1)與(12)聯(lián)合，在Pm和最大風(fēng)力利用系數(shù)Cpmax時對應(yīng)一個參考轉(zhuǎn)速：

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

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

　　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器的直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)能捕獲控制策略框圖。

　　對永磁同步電機的控制主要由發(fā)電機和電機側(cè)的PWM變流器完成。首先，將檢測得到的電機電壓和電流信號進行從三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的坐標變換，經(jīng)過磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器對電機的定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩進行觀測，得到當(dāng)前狀態(tài)下磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的實際值；然后，分別與定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩的給定值進行滯環(huán)比較；最后，利用比較器的輸出結(jié)果再與磁鏈矢量所在的空間扇區(qū)號共同決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)對直接轉(zhuǎn)矩控制。

　　以定子電壓、定子電流及其他相關(guān)參數(shù)計算得到的參考轉(zhuǎn)速為被控變量，對永磁同步發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速進行控制；與此同時，同樣用定子電流、定子電壓及相關(guān)參數(shù)計算得到估計轉(zhuǎn)速。利用與估計轉(zhuǎn)速通過控制器得到電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制。

3 實驗研究

　　本文實驗中采用的2 MW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。為了驗證所提出的速度觀測器法的有效性及實用性，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)觀測的轉(zhuǎn)速不作為控制系統(tǒng)的輸入時，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速與估計轉(zhuǎn)速對比如圖5所示?？梢詮膱D中看出，在0～2 s期間，估計的轉(zhuǎn)速并不能很好地跟蹤實際的轉(zhuǎn)速；在2～20 s期間，除了有很小的滯后之外，估計轉(zhuǎn)速能較準確地跟蹤實際轉(zhuǎn)速的變化，并且具有較高的檢測精度。

　　根據(jù)提出的控制策略，下面把觀測的轉(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)的運行參數(shù)進行比較分析。由于圖5中，實際的轉(zhuǎn)速與估計的轉(zhuǎn)速在到達一定時間后才達到估計精度的要求，所以在6～20 s期間分別對有速度傳感器和無速度傳感器的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、風(fēng)力機機械功率、風(fēng)力利用系數(shù)、電網(wǎng)側(cè)有功功率進行仿真對比，分別如圖6、圖7、圖8和圖9所示。其中上圖為無速度傳感器的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行情況，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時間段內(nèi)，風(fēng)力機機械功率將低于其他時間段；而整個控制過程中此時間段的發(fā)電機轉(zhuǎn)速也小于其額定轉(zhuǎn)速。由圖6和圖7可以看出，在實際的運行中，估計的轉(zhuǎn)速仍然延遲于實際的轉(zhuǎn)速，無傳感器的風(fēng)力機的機械功率在6～7 s略有下降，但此后并不影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行。圖8、圖9中的對應(yīng)時間段內(nèi)，風(fēng)能利用系數(shù)Cp在6～12 s的時間段內(nèi)，捕獲風(fēng)能的能力不理想，所以在這時間段內(nèi)的風(fēng)力機機械功率和電網(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)都達到了最大值0.438附近。

4 結(jié)論

　　本設(shè)計通過在全風(fēng)速范圍內(nèi)采用變槳距控制，有效限制了風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速；對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用速度觀測器法來實現(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)電機組速度觀測器法具有實用的控制效果，不僅實現(xiàn)快速風(fēng)速跟蹤和準確地估計轉(zhuǎn)速，且對于風(fēng)速波動的未知干擾具有較強的魯棒性。

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