摘  要： 說明了直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成和原理，分析了永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的控制策略,；設(shè)計(jì)了發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器基于電網(wǎng)電壓矢量定向,、機(jī)側(cè)變流器基于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向的背靠背雙PWM協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)。最后通過仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)的最大功率跟蹤特性,，并就仿真中PI參數(shù)設(shè)置的關(guān)鍵問題進(jìn)行了說明,，可有效防止轉(zhuǎn)速比較控制中的轉(zhuǎn)矩沖擊問題。
關(guān)鍵詞： 永磁同步電機(jī),；風(fēng)力發(fā)電,；矢量控制；PWM整流

    當(dāng)今世界,，石化能源大量消耗,，傳統(tǒng)能源資源面臨枯竭，能源短缺問題日益嚴(yán)重,。改變能源結(jié)構(gòu),，開發(fā)新能源已經(jīng)刻不容緩。而風(fēng)能便是各種新能源中應(yīng)用最廣泛的一種[1],。
    現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中,，應(yīng)用最廣泛的兩種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)分別為雙饋發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),。兩者中,，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于變頻策略實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)子側(cè)，只需發(fā)電機(jī)容量的1/3左右,，因此容量相對(duì)做得更大，但是該系統(tǒng)需要價(jià)格昂貴的增速齒輪箱,，同時(shí)雙饋發(fā)電機(jī)含有容易損壞的滑環(huán)和電刷,，使整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性較差,，發(fā)電效率受此影響難以提升,。與其相比,，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)則省去了齒輪箱裝置，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,，控制較為容易,。雖然變頻器容量相對(duì)較大,，但是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,，變頻器容量也不再是一個(gè)明顯的瓶頸。而且永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的低電壓穿越能力,，這是雙饋發(fā)電系統(tǒng)無法相比的[2-3],。從風(fēng)力發(fā)電總體效益上考慮，直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)很有潛力,，將成為未來幾十年的主流方案，所以本文選擇永磁風(fēng)電系統(tǒng)作為研究對(duì)象。
1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本原理
    圖1為基于雙PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),。風(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)同軸相連,，發(fā)電機(jī)定子連接機(jī)側(cè)變流器,，機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器均為IGBT反并聯(lián)續(xù)流二極管的三相橋電路,，中間通過直流環(huán)節(jié)相連，網(wǎng)側(cè)變流器連接電網(wǎng),。

    該系統(tǒng)變流環(huán)節(jié)可以看作雙P結(jié)構(gòu)的交直交變頻器 ,，但在控制上卻不相同,。電路中PWM變流器可以分為兩部分。電機(jī)側(cè)變流器主要用于控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,，使其跟隨風(fēng)速的變化而變化來追蹤最佳風(fēng)能（第3節(jié)中介紹）,，并且將發(fā)電機(jī)輸出的頻率和幅值變化的三相交流電整流成穩(wěn)定的直流電,；而網(wǎng)側(cè)變流器的作用則是穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓,，并且將發(fā)電機(jī)輸出到直流側(cè)的電能轉(zhuǎn)換為頻率和幅值與電網(wǎng)相同的交流電饋入電網(wǎng)，此外,，在電網(wǎng)電壓因?yàn)槔讚艋蛘叨搪返裙收蠈?dǎo)致電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器可以向電網(wǎng)輸送一定的無功功率支持網(wǎng)側(cè)電壓的穩(wěn)定。
2 控制策略與控制結(jié)構(gòu)
2.1 最大風(fēng)能追蹤策略
    風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)主要有兩種狀態(tài)：額定風(fēng)速以下運(yùn)行和額定風(fēng)速運(yùn)行,。額定風(fēng)速以下時(shí)保持槳距角β=0,，通過各種控制方式使發(fā)電機(jī)以最大功率運(yùn)行,；在達(dá)到額定風(fēng)速或者超過額定風(fēng)速時(shí)通過控制槳距角（變槳距）或者葉尖速比（定槳距）來降低風(fēng)能利用系數(shù)Cp，限制風(fēng)能的利用率,，使風(fēng)力機(jī)維持在額定功率運(yùn)行。由于風(fēng)電場中風(fēng)速經(jīng)常會(huì)低于額定風(fēng)速,，而最大風(fēng)能跟蹤問題就是在此基礎(chǔ)上提出的[4],。

    風(fēng)力機(jī)吸收功率為：
  
由式(2)可以看出，要使葉尖速比λ保持為λopt（最佳葉尖速比）,，只要使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ω與風(fēng)速v比值不變即可。而直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸相連,，轉(zhuǎn)速相同,。所以只要風(fēng)速變化時(shí)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)變化便能實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的最大追蹤,。這也是本文選用的最佳葉尖速比控制法,。
    此外還有爬山搜索法、功率信號(hào)反饋法等方法都可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤。在此不再一一敘述,。
2.2 控制結(jié)構(gòu)
    結(jié)合永磁同步發(fā)電機(jī)以及三相PWM變流器數(shù)學(xué)模型,，對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器采用基于電網(wǎng)電壓矢量定向的控制策略,，機(jī)側(cè)變流器采用基于電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向id=0矢量控制策略,，設(shè)計(jì)出如圖2所示雙PWM協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖,。

　網(wǎng)側(cè)變流器的控制過程與機(jī)側(cè)變流器相似，給定直流電壓Udc*與從直流側(cè)檢測(cè)得到的實(shí)際電壓Udc比較,，差值經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器得到有功電流的期望值id*，id*與實(shí)際檢測(cè)到的有功電流iq比較（有功電流和無功電流通過坐標(biāo)變換得到,，ω由鎖相環(huán)PLL得到）,，差值經(jīng)過有功電流調(diào)節(jié)器輸出,，然后加上前饋電壓補(bǔ)償?shù)玫絽⒖茧妷簎d。無功電流iq*在發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)設(shè)定為0,，iq*與實(shí)際無功電流iq比較,，差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器再加上前饋電壓補(bǔ)償?shù)玫絽⒖茧妷簎q,，ud,、uq經(jīng)過SVPWM調(diào)制得到網(wǎng)側(cè)變流器主電路三相橋的驅(qū)動(dòng)脈沖,，以此來控制網(wǎng)側(cè)變流器工作。
    根據(jù)以上分析,，通過網(wǎng)側(cè)變流器和機(jī)側(cè)變流器協(xié)調(diào)控制,，便可使發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)跟隨風(fēng)速的變化而變化，吸收各種風(fēng)速下的最大風(fēng)能,，同時(shí)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,，進(jìn)一步通過各種電流環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為可以饋入電網(wǎng)的電能，實(shí)現(xiàn)永磁風(fēng)力發(fā)電的基本目標(biāo),。
3 系統(tǒng)仿真研究
    根據(jù)圖2,，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，仿真參數(shù)設(shè)置如下：
    風(fēng)力機(jī)參數(shù)：額定功率120 kW,；風(fēng)力機(jī)葉輪半徑12 m,；切入風(fēng)速3 m/s；切出風(fēng)速25 m/s,；額定風(fēng)速10 m/s,；最佳葉尖速比8.3；最佳風(fēng)能利用系數(shù)4.79,。
    永磁同步發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定功率120 kW,；定子電阻0.12 Ω，d軸電感0.033 H；q軸電感0.033 H,；永磁體磁鏈1.79 Wb,；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量150 kg·m2,；轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù)0.005 N·m·s,；極對(duì)數(shù)32。
    網(wǎng)側(cè)變流器仿真參數(shù)：網(wǎng)側(cè)相電壓220 V,；網(wǎng)側(cè)濾波電感0.012 H,；濾波電感等效電阻0.06 ?贅,；開關(guān)頻率5 kHz；直流側(cè)濾波電容0.002 2 F,。
    仿真波形如圖3～圖9所示。

    根據(jù)以上仿真曲線可以看出,，當(dāng)風(fēng)速由7 m/s漸變?yōu)?0 m/s時(shí),，發(fā)電機(jī) (風(fēng)力機(jī))轉(zhuǎn)速能夠很好地跟隨風(fēng)速的變化而變化,，發(fā)電機(jī)定子側(cè)電流和網(wǎng)側(cè)電流也隨著風(fēng)速的增大而增大,，并且網(wǎng)側(cè)電流與電壓能夠保證運(yùn)行在單位功率因數(shù)逆變(相位角相差180°)狀態(tài),。通過網(wǎng)側(cè)有功功率以及有功電流id、無功電流iq可以看出,，整個(gè)發(fā)電過程中，只要系統(tǒng)正常運(yùn)行,，網(wǎng)側(cè)無功電流iq便一直保持為0，而有功電流可以隨著風(fēng)速的變化而變化,，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)饋入電網(wǎng)的有功功率由40 kW變?yōu)?20 kW,，風(fēng)能利用系數(shù)在整個(gè)過程中基本保持不變，接近0.48,，說明風(fēng)電系統(tǒng)在整個(gè)過程中一直保持最大風(fēng)能的追蹤,。
4 其他問題的說明
    (1)在風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)中應(yīng)用了多個(gè)PI調(diào)節(jié)器,，在對(duì)其比例系數(shù)Kp,、積分系數(shù)Ki進(jìn)行設(shè)定時(shí)必須符合發(fā)電系統(tǒng)的基本物理要求,，另外各個(gè)PI調(diào)節(jié)器一定要加限幅值。例如發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中的變流器,，如果外環(huán)為速度環(huán)時(shí),，由于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，反應(yīng)比較遲緩,，因此要使其速度跟隨風(fēng)速快速變化必須是PI調(diào)節(jié)器有合適的靈敏度,，一般比例系數(shù)Kp應(yīng)該設(shè)置得較大一些，而積分時(shí)間常數(shù)ιi應(yīng)該較小,。
    (2)PI調(diào)節(jié)器的限幅值也非常關(guān)鍵,，因?yàn)榉抡孀罱K是模擬實(shí)際，因此只有確定明確的限幅值才能確定系統(tǒng)的容量問題,，才能對(duì)其他各種問題進(jìn)行分析,。
    (3)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的中間變流環(huán)節(jié)可以看作一臺(tái)背靠背PWM交直交變頻器[6],，因此當(dāng)風(fēng)速變化較為明顯時(shí),，若采用速度外環(huán)控制則可能出現(xiàn)發(fā)電機(jī)運(yùn)行到電動(dòng)狀態(tài)的問題，也就是風(fēng)能和電網(wǎng)發(fā)出電能同時(shí)使風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)提速,。在這種情況下風(fēng)電系統(tǒng)的電流和功率極性都會(huì)瞬時(shí)發(fā)生改變,，這對(duì)系統(tǒng)就有一定的沖擊性，是一種不良影響,。因此必須對(duì)PI調(diào)節(jié)器設(shè)定合適的限幅值,，防止其在轉(zhuǎn)速變化（特別是風(fēng)速變化明顯，如階躍信號(hào)）時(shí)工作在電動(dòng)狀態(tài),，在設(shè)定限幅值時(shí)應(yīng)同時(shí)設(shè)置積分環(huán)節(jié)單獨(dú)的限幅值,，防止其積分影響。
    本文通過仿真分析驗(yàn)證了采用雙PWM協(xié)調(diào)控制的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在最大功率追蹤方面的較好性能,，說明了該系統(tǒng)具有良好的可行性,；論文最后對(duì)仿真系統(tǒng)中PI參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行了說明，使該系統(tǒng)可以有效避免轉(zhuǎn)速控制中轉(zhuǎn)矩和功率沖擊問題,。
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