永磁同步電機在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用

永磁同步電機在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用摘要：風能作為可再生、潔凈無污染、取之不盡用之不竭的能源，成為世界可再生能源發(fā)展的重要方向。永磁直驅風力發(fā)電機由于機械損耗小、運行效率高、維護成本低等優(yōu)點而成為研究的重點機型。本文主要研究兩方面容，一是直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的模擬仿真,二是最大功率跟蹤方法(MPPT)o本文分析了風力發(fā)電機最大功率跟蹤控制的基本原理和方法，基于他們的數(shù)學模型在MATLAB/SIMULINK中分別搭建了包括風力機氣動模型、dq坐標系下永磁發(fā)電機模型和控制系統(tǒng)模型等，在此基礎上建立了直驅式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的模型，并采用最佳葉尖速比控制法，對風力機在額走風速以下進行了仿真，通過仿真驗證了該方法的控制效果。關鍵詞：直驅風力發(fā)電；最大功率跟蹤；風力機模擬；仿真；隨著科學技術的飛速發(fā)展，人類對能源的需求日益增加，世界能源消耗戢的持續(xù)增加，使全球圍的能源危機形勢愈發(fā)明顯，開發(fā)可再生能源成為實現(xiàn)世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措。目前風力發(fā)電不斷向大型化發(fā)展。但是隨著風力發(fā)電的快速發(fā)展，一系列技術問題逐漸顯現(xiàn)。如何降低成本，提高技術優(yōu)勢，以提高風電設備的穩(wěn)左性與高效性成為擺在研究人員面前的一道難題。齒輪箱就是亟待解決的問題之一。目前風力發(fā)電系統(tǒng)的主流機型是功率容量為1.5MW的雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)。主要部件有風力機、齒輪箱、發(fā)電機、調向機構、制動機構、控制單元、塔架等。由于風能的特殊性，風力機一般都低速旋轉，如大型風力機的轉速低至每分鐘幾十轉甚至十幾轉。發(fā)電機屬于高速旋轉機械，所以兩者之間往往通過升速齒輪箱連接，使風力機軸上的低速旋轉輸入轉變?yōu)楦咚傩D輸出，以便與發(fā)電機轉速相匹配。但是由于機組運行過程中齒輪箱也一直處于高速旋轉，增加了系統(tǒng)損耗，降低了能量利用率。還有由于風電機組往往安裝在環(huán)境條件惡劣的偏遠山區(qū)、孤島等野外的高空，導致升速齒輪箱的維護保養(yǎng)工作量大。而且隨著單機容量的不斷增大，使齒輪箱的造價也更加昂貴，在MW級風電機組中更容易造成過載或過早損壞。因此人們開始研究省去齒輪箱的直驅式發(fā)電系統(tǒng)。省去齒輪箱而臨最大的困難就是發(fā)電機，由于一般發(fā)電機旋轉速度高，必須采用低速的發(fā)電機，所以研究人員將永磁同步電機用于風

力發(fā)電。永磁電機采用永磁體結構，無需外部勵磁，省去了電刷和滑環(huán)，簡化了系統(tǒng)結構，提高了可靠性和發(fā)電效率。而且永磁結構比電勵磁結構更適合做成多極低速結構，極矩小、電機體積和質量也相對較小，所以直驅永磁同步電機系統(tǒng)成為現(xiàn)今研究重點。1風力發(fā)電系統(tǒng)的總體結構風力發(fā)電機組的整體結構示意圖如圖1」所示。主要的部件包括風力機、永磁同步發(fā)電機、測量與控制系統(tǒng)、功率變換器等。風輪是吸收風能并將其轉化成機械能的部件，風以一立的速度和功角作用在槳葉上，使槳葉產生旋轉力矩而轉動，將風能轉變成機械能，進而直接驅動永磁同步發(fā)電機發(fā)電機。發(fā)電機發(fā)出的電能經過電力電子變換器輸送到電網。本文介紹風力機和發(fā)電機。永磁同步電機岡速控制系統(tǒng)圖1.1風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖風力機1.1風力機永磁同步電機岡速控制系統(tǒng)圖1.1風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖風力機風力機是風電機組的最主要部件之一，是由槳葉與輪軸組成，槳葉具有良好的空氣動力學外形，在氣流作用下能產生空氣動力使風輪旋轉，將風能轉換成機械能，再通過發(fā)電機將機械能轉換成電能。所以它不僅決泄了整個風力發(fā)電系統(tǒng)有效功率的輸出，還直接影響機組的安全穩(wěn)立運行。在理論上，最好的風輪也只能將約60%的風能轉換成機械能。在目前風力機主要是以水平軸、上風向、三葉片的機組為主。其中又有泄槳距和變槳距風輪，立轉速和變轉速發(fā)電機。本文主要研究的是采用泄槳距，變轉速發(fā)電機的變速風力發(fā)電系統(tǒng)。1.2發(fā)電機在風力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機及其控制系統(tǒng)承擔了風力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉換任務。它不僅直接影響這個重要轉換過程的性能、效率和供電質量，而且也影響到前一個轉換過程的運行方式、效率和裝置結構。因此，研制和選用適合于風電轉換用的運行可靠、效率高、控制及供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)，是風力發(fā)電工作的一個重要組成部分。永磁同步發(fā)電機具有許多優(yōu)點：由于省去了勵磁繞組和容易出問題的集電環(huán)和電刷，結構較為簡單，加工和裝配費用減少，運行更為可靠。采用稀上永磁體后可以增大氣隙磁密，并把電機轉速提高到最佳值，從而顯著縮小電機體積，提高功率質量比：由于省去了勵磁損耗，電機效率得以提高：處于直軸磁路中的永磁體的磁導率很小，直軸電樞反應電抗較電勵磁同步發(fā)電機小得多，因而固有電壓調整率比電勵磁同步發(fā)電機小。2風力機的理論基礎2.1風能利用系數(shù)心o.593這就是貝茲理論的極限值，它說明風力機從自然風中獲取的能量是有限的，英功率損失部分可以解釋為在尾流中的旋轉動能。能量的轉換將導致功率的下降，它隨所采用的風力機和發(fā)電機的型式而異。目前的技術水平下，風力機能達到的風能利用系數(shù)大都在0.4?0.5之間。2.2葉尖速比葉尖速比久是為了表示風輪在不同風速中的狀態(tài)而引入的，用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來表示。2c°rC八一一（2）英中血為風輪的轉速：R為風輪的半徑。2.3風力機特性風力機把風能轉化為機械能是個復雜的空氣動力學過程，要精確地對風力機進行建模，必須用基于空氣動力學中槳葉的基本理論。但是，如果用槳葉的基本理論建模，將不可避免要解決風力機風輪幾何學問題、復雜冗長的計算問題等困難，此外，還要同時處理一系列的風速信號，而不是只有一個風速信號。為了避免這些問題，人們設汁了一種簡易的模型來描述風力機，它反映了風速與從風中獲得的能量的關系，氣動方程為：P=”Cp=*T&p

116?C〃a0)116?C〃a0)=O-22(---0-40-5)丘人+0.080S+1式中P為通過風輪掃掠而積的風的功率：°為空氣密度，一般為1.25：/?為風輪半徑:〃為實際風速：Cp為風力機的實際功率系數(shù)；＞1為葉尖速比。3最大風能跟蹤最大風能跟蹤(MPPT)是風力發(fā)電的核心問題，但風能的跟蹤的特性是由風力機決龍的。因此無論是那種風力機，其風能跟蹤的思想是相通的。目前常用的最大風能跟蹤控制主要有最佳葉尖速比控制法、功率反饋法和爬山搜索法。本文采用最佳葉尖方法進行控制。最佳葉尖速比法的基本思想是當風速變化時，通過測量風速和風力機固有特性計算出此時的最佳轉速，并適時調整發(fā)電機轉速始終運行于該最佳轉速，從而實現(xiàn)最大風能跟蹤。用風速計直接測出風速信號，由最佳葉尖速比和式(2)求得對應的最佳轉速將它與測得的風力機轉速信號進行比較，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由轉速誤差信號調肖發(fā)電機的電功率輸出，進而達到調節(jié)轉速的目的，使風力機轉速正比于風速而變化，即始終運行在最佳葉尖速比的情況下。轉速測屋風速信號圖3.1最佳葉尖速比控制法原理圖轉速測屋風速信號圖3.1最佳葉尖速比控制法原理圖功率輸出4永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)建模4.1風力機的建模直驅式風力機由于省去了齒輪箱，其運動方程為［5］：=T-T=T-Tdt'm式中人為風力機的轉動慣量：為風力機的轉速；7；為風力機的氣動轉矩：7；為傳動裝卷傳給發(fā)電的扭矩。由式(3)得風力機的氣動轉矩為：r=—(6)SIMULINK中建立風力機的風速■轉矩模型，如圖4.1SIMULINK中建立風力機的風速■轉矩模型，如圖4.1所示:Product!圖4.1風力機的風速轉矩模型4.2發(fā)電機的建模永磁風力發(fā)電機的模型一般在如坐標系下建立，勿坐標系是包括永磁同步電機在的所有交流電機最常用的坐標系。電機轉矩的產生，是由于左子磁鏈與轉子磁鏈相互吸引作用而產生的。電機轉矩的大小、方向與左子磁鏈與轉子磁鏈的幅值、相位有關。為了便于分析，將如坐標系左位于轉子磁鏈之上，此時在d軸方向為磁鏈方向，g軸方向超前/軸90。電角度，這樣就形成了一個同步旋轉的正交坐標系。電機所有交流變量都可以在這個坐標系中轉化為直流量并投影于d、g兩個軸上，對兩個軸上的分量分別控制，就控制了這個變量。轉子永磁同步電機的轉子磁場由永磁體產生，是不可控制量，因此只需控制左子磁場，就可以控制電機電磁轉矩。

立子磁場中可變的部分是左子電流產生的電流勵磁磁場，在dq坐標系對淀子電流的解耦控制，就實現(xiàn)了電機電磁轉矩的控制，這也是矢呈控制的實現(xiàn)方法。本文在勿同步旋轉坐標系下建立的永磁同步發(fā)電機組數(shù)學模型為:di.dLq.1如二_他一如他+存)+扎dtdi.d式中：id2;分別為發(fā)電機的d軸和g軸電流；與和4分別為發(fā)電機的d軸和g軸電感;心為定子電阻：皺為電角頻率，q二八為發(fā)電機轉子的極對數(shù)；入為永磁體的磁鏈：召和久分別為“宕的/軸和g軸分量。左義q軸的反電勢見二屬人，d軸的反電勢己內=0，假設發(fā)電機d軸和g軸電感相等，即〈=匕q=L，所以，式(7)可寫為：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"did?1」=-—+6WZ+llAdtLdeq1汗A叫_&.,.1~、1=Iq—A))a[dtLqLLq_由此在MATLAB/SIMULINK中建立發(fā)電機模型為如圖4.2所示:圖4.2圖4.2永磁發(fā)電機模型43發(fā)電機轉矩模型發(fā)電機的轉動方程為:其中為發(fā)電機的轉動慣量，7；為發(fā)電機反力矩.乞為發(fā)電機轉速由于采用永磁直驅風力發(fā)電機，沒有使用增速齒輪箱，所以風輪轉速和發(fā)電機轉速相等，即有：TOC\o"1-5"\h\zCO=COK=CO（10）直驅式永磁同步發(fā)電機的電磁轉矩表達式為：7>1.5州叫-〈）僦+&（11）簡化為：吠入（⑵由此可得永磁同步發(fā)電機的傳動系統(tǒng)，電磁轉矩模型如圖4.3所示：Frc-duct1圖4.3發(fā)電機轉矩模型4.4控制系統(tǒng)模型永磁發(fā)電機由永磁體勵磁，不需要提供勵磁電流，左子電流只產生轉矩，因此可以采用dq同步旋轉坐標系下的矢量控制法產生相應的電壓矢量-和迅，從而控制發(fā)電機轉速。為確左矢量方向，因d軸分量與無功功率相關，采用零d軸電流控制方法，設置d軸電流參考值為舄「氣從而在最小電流的情況下得到最大的電磁轉矩。因g軸分量與轉矩相關，可以通過控制q軸的速度控制q軸電流參考值打上“

由式(4.4)可知，d、g軸之間存在著耦合項0/d和3兒即-不僅依賴于山，而且也與口有關系，這會給控制帶來很大問題*通過加入前饋補償?shù)姆椒梢韵詈享?。因此龍義兩個新的輸入量分別為叫二_億+—(13)<5=叫4+3入+1、(13)通過加入前饋補償，消除了才、g軸之間的耦合項?？刂葡到y(tǒng)采用的是轉速外環(huán)、電流環(huán)的雙閉壞結構，其中外環(huán)速度參考值①言丁由最大功率點跟蹤算法得出，與實際測得的轉速相比較，通過PI控制器得到g軸電流參考值±;，d軸電流參考值f處言丁設置為0。由永磁發(fā)電機的轉矩公式可以看出，發(fā)電機的電磁轉矩與有功電流成正比，可以通過調節(jié)有功電流山來控制發(fā)電機轉矩，從而改變發(fā)電機的轉速，跟隨設左的最優(yōu)轉速口工?？刂葡到y(tǒng)模型如圖4.4所示:圖4.4圖4.4控制系統(tǒng)模型其中：？1子模塊如圖4.5所示:圖4.5PI子模塊模型4.5最佳轉速計算模塊由最佳葉尖速比訃算公式可得最佳轉速訃算模塊如圖4.6所示:圖4.6最佳轉速計算模塊4.6系統(tǒng)模型由各個子系統(tǒng)搭建起來的永磁直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)的模型如圖4.7所示：模型中用到的風力機和發(fā)電機參數(shù)如下：風力機部分：風輪半徑斤為35m；風輪轉動慣量幾為350000kg.m2..空氣密度Q為1.225kg/:發(fā)電機部分：額左功率：1500KW：額妃轉速為20rpm：電機極對數(shù)為30：轉動慣量：32000仗〃定子d、g軸電感Zq=0.029〃；定子電阻必為0.037Qo圖4.7直驅式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)模型5系統(tǒng)仿真風速輸入為階躍風速，給泄值為91B/S,在50s時上升為11.35m/s.經過試驗，選取轉速環(huán)PI控制器參數(shù)為Kp=10,Ki=0.01；電流環(huán)PI控制器參數(shù)為Kp=5,Ki=0.05o(b)葉尖速比兄(c)風機轉速(d)發(fā)電機輸出功率圖真結((b)葉尖速比兄(c)風機轉速(d)發(fā)電機輸出功率圖真結(c)風能利用系數(shù)Cp升。并且在風速變化過程中，風機轉速也隨之變化，使得葉尖速比＞1始終保持在最佳葉尖速比，而風能利用系數(shù)也保持在最大，得到了最大限度地捕獲風能的效果，實現(xiàn)了最大功率跟蹤控制。參考文獻[1]方軍風力發(fā)電技術及其發(fā)展方向口]電氣時代，2005,11：22-24.⑵王曉剛.小型并網風力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真[D].:工業(yè)大學，2009.伊明，庚銀，建成等.直驅式永磁風力發(fā)電機組建模及其控制策略[J].電網技術，2006,2：102-105.吳迪，建文.變速直驅永磁風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的研究[J].大電機技術，2006,(6)：51-55.湯凌峰，梅柏杉.風力發(fā)電系統(tǒng)中的風力機模擬[J].電力電子技術，2008,42(9).YukinoriInoue,ShigeoMorimoto,MasayukiSanada.ControlMethodforDirectTorqueControlledPMSGinWindPowerGenerationSystemfC].2009IEEEMeisamShirazi,AbbasHooshmand.Viki.AComparativeStudyofMaximumPowerExtractionStrategiesinPMSGWindTurbineSystem[Cl.2009IEEEElectricalPower&EnergyConference,Tehran.2009.家權，蔡娟妮，剛峰等.直驅風電系統(tǒng)最大功率捕獲技術的仿真分析[J]可再生能源.2009,27(1).王波，宋金梅.基于最佳葉尖速比的最大風能跟蹤在永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)中的實現(xiàn)[C].首屆電測儀表學術發(fā)展方向研討會,，2009