永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制

1、永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制目錄1、永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)2、永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng) 3、永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制4、最大功率跟蹤控制1、永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)1.11.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示，主要包括風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、電力電子變流裝置、控制及保護(hù)系統(tǒng)、并網(wǎng)變壓器等。 圖1 永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1、永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)1.21.2基本原理基本原理 當(dāng)風(fēng)力機(jī)的槳葉受到風(fēng)以一定的速度和攻角作用后會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，即是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能了。然后與風(fēng)力機(jī)同軸連接的永磁同步發(fā)電機(jī)也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，旋轉(zhuǎn)的永磁同步發(fā)電機(jī)會(huì)發(fā)出

2、交流電，其交流電的幅值和頻率是隨風(fēng)速的變化而變化的，即是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。然后將發(fā)出的電能在形式上經(jīng)過(guò) ACDCAC 變換，得到與電網(wǎng)幅值、相位、頻率一致的交流電后經(jīng)變壓器饋送至電網(wǎng)上，系統(tǒng)中的兩組變流器 ACDC 和 DCAC背靠背連接，故稱為背靠背驅(qū)動(dòng)變流器。根據(jù)變流器的不同作用和位置，可分為電機(jī)側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器。1、永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)問(wèn)題問(wèn)題（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是直接耦合的，所以永磁同步發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電壓大小、頻率均與風(fēng)速有關(guān)，會(huì)隨著風(fēng)速的改變而改變，具有不穩(wěn)定性，因此不能直接并網(wǎng)。（2）風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電若要并入電網(wǎng)必須滿足三個(gè)條件，即風(fēng)電機(jī)組輸出電壓的幅值、頻

3、率、相位及相序均與電網(wǎng)保持一致，故需要電力電子變流裝置。 2、永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng) 2.12.1變流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變流系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 永磁直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)如圖2所示。它包括永磁同步電機(jī)（PMSG）和背靠背全功率雙 PWM 變流器。 圖2 基于雙 PWM 的永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)2、永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng) 2.1.1電機(jī)側(cè)變流器（1）電機(jī)側(cè) ACDC 變流器采用 PWM 電壓源型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，作用是調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而保證風(fēng)力機(jī)的工作狀況符合實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤（MPPT）的要求。（2）電機(jī)側(cè)變流器不僅可以調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，還

4、可以根據(jù)不的控制算法對(duì)永磁同步電機(jī)的損耗、容量利用率以及響應(yīng)速度等性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化控制，以提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。電能的形式從永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓幅值和頻率時(shí)變的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 2、永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng) 2.1.2電網(wǎng)側(cè)變流器（1）電網(wǎng)側(cè) DCAC 變流器，作用是將不穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)的幅值、相位、頻率等都一致的交流電后并入電網(wǎng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電機(jī)側(cè) ACDC 變流器是相同的。（2）若不計(jì)電能損耗的情況下，電網(wǎng)側(cè) DCAC 變流器可將電機(jī)側(cè) ACDC變流器輸出的有功功率全部輸送到電網(wǎng)上，并且通過(guò)控制還能維持直流電壓恒定的作用。（3）通常情況下，電網(wǎng)側(cè) DCAC 變流器的控制目標(biāo)

5、是使得輸出的電壓和電流同相位，諧波含量少，歸納起來(lái)就是要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)變流器功率因數(shù)為1，即無(wú)功功率Qref=0 。還可以通過(guò)調(diào)節(jié)電網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓和電流的相位關(guān)系，起到調(diào)節(jié)電網(wǎng)無(wú)功的作用。 3、永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制3.13.1永磁同步電機(jī)控制控制策略策略目前，最流行的永磁同步電機(jī)的控制策略有：矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種。3.1.1矢量控制和局限性（1）矢量控制，即基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的控制方式，將定子電流進(jìn)行分解成勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，實(shí)現(xiàn)了彼此解耦和獨(dú)立控制，在原理和特性上和直流電機(jī)的控制十分相似。（2）電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)自身的物理參數(shù)會(huì)發(fā)生較大的變化，從而難以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈的準(zhǔn)確觀測(cè)

6、和定向，需要復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換運(yùn)算。（3）矢量控制技術(shù)中的轉(zhuǎn)矩控制、弱磁控制、無(wú)位置傳感器技術(shù)方面都受到本身控制思想實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性的影響，使得其難以進(jìn)一步發(fā)展和推廣應(yīng)用。3、永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制3.1.2直接轉(zhuǎn)矩控制（1）在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的，控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。省掉了復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和計(jì)算。所用到的控制信號(hào)也易于檢測(cè)和觀測(cè)。（2）基于定子磁鏈定向，只需電機(jī)的定子電阻就可以把磁鏈觀測(cè)出來(lái)。受電機(jī)參數(shù)變化影響小。 （3）采用空間矢量的概念來(lái)分析三相交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制各個(gè)物理量，使控制思想簡(jiǎn)單明了。 （4）直接控制量是磁鏈和轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，響應(yīng)時(shí)間較短

7、。 3、永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制3、永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制3.33.3直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的矢量關(guān)系如圖4所示，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系，d軸正方向?yàn)檗D(zhuǎn)子磁鏈方向；與定子同步旋轉(zhuǎn)的x-y坐標(biāo)系，x軸正方向?yàn)槎ㄗ哟沛湻较?；兩?靜止坐標(biāo)系，軸正方向與電機(jī)a軸重合。圖3 PMSM在不同坐標(biāo)系下的矢量圖3、永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制3、永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制3、永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 永磁同步發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的主要思想是選取適當(dāng)?shù)碾妷菏噶咳ジ淖冝D(zhuǎn)矩角和磁鏈幅值，從而實(shí)現(xiàn)直接控制轉(zhuǎn)矩。 圖4 基本空間電壓矢量與扇區(qū)3、永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制圖5 空間電壓矢量選擇表3、永磁同步電