基于LabVIEW的永磁同步风力发电系统研究

梅柏杉 ，邓德卫 ，傅闯 ，暴国辉 ，姚钢

（1.上海电力学院 电气工程学院，上海 200090；2.湘潭大学 信息工程学院，湖南 湘潭 411100；3.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240）

1 引言

LabVIEW［1］是一种用图标代替文本创建应用程序的图形化编程语言，编程方便快捷，熟练的LabVIEW用户所花的开发时间，大约是熟练的C程序员的1／5左右，节省了大量的编程时间。本文采用由LabVIEW编程的控制系统平台，它由美国国家仪器公司的PXI控制器和硬件模块组成，系统由双控制器组成，一个为Intel的双核CPU，也即PXI-8108RT实时控制器；另一个为Xilinx公司的FPGA，即PXI-7854R模块。此外PXI机箱扩展了两个扩展槽，扩展4块9239同步隔离采集卡。用来采集电压电流等模拟信号。PXI-8108RT实时控制器本质上就是一台安装了实时操作系统的高性能电脑，所以对于浮点运算和矢量控制等复杂算法，通常放在该处理器上处理；PXI-7854R模块上的嵌入式FPGA，方便配置输入输出通道，且对于可靠性要求高的场合，PWM驱动脉冲由FPGA负责产生，充分利用CPU强大处理能力和FPGA高实时性和可靠性的优点。整个永磁同步风力发电控制系统有着非常好的实时性和可靠性，NI仪器应用于控制领域也体现出其独特的性能优势。

2 网侧变换器的数学模型及控制策略

网侧变换器的拓扑结构［2］如图1所示。

图1 网侧变换器拓扑结构Fig.1 Topology of grid-side converter

变换器的交流侧经电感L滤波后并至三相电网，两相dq坐标系下网侧变流器的数学模型为

式中：id，iq为dq坐标系中网侧变流器交流侧电流分别在 d，q轴上的分量；ed，eq为电网电压在d，q轴上的分量；ud，uq为网侧变换器交流侧电压 ui（i=a，b，c）在 d，q 轴上的分量；ω0表示dq坐标系相对于三相静止abc坐标系的旋转速度。

网侧PWM变换器矢量控制策略如图2所示。

图2 网侧PWM变换器矢量控制图Fig.2 Vector control block diagram of grid-side PWM converter

网侧变换器与电网之间交换的有功功率Pg和无功功率Qg的表达式为

网侧变换器采用基于电网电压定向的矢量控制，将同步旋转坐标系d轴定位于电网电动势矢量，q轴在旋转方向上超前d轴90°，则电网电压向量在q轴上的分量eq=0，此时有：

当电网电压恒定时，ed也为定值，则有功功率Pg和无功功率Qg将分别由id与iq决定。只需要控制id的正负即可实现有功功率的双向流动，而q轴代表无功分量参考轴，控制iq就可以控制无功功率，从而实现网侧有功功率和无功功率的独立控制。

3 机侧变换器的数学模型及控制策略

假设dq与电机转子的电角速度同步旋转且q轴超前d轴90°，将d轴定位于转子永磁体的磁链方向，可以得到电机的定子电压方程为［3］

式中：Rs，Ls分别为发电机的定子电阻及电感；usd，usqisd，isq分别为 d，q 轴定子电压、电流分量；ωe为转子电角速度；Ψf为转子永磁体的磁链。通常采用isd＝0的控制方式，则电磁转矩为

式中：p为电机极对数。

由式（4）可知，定子的 d，q轴电流既受控制电压usd，usq的影响， 同时还受到耦合电压－ωeLsisq和ωeLsisd＋ωeΨf的影响。因此，电机的电流内环控制除了需要对dq轴电流分别进行闭环PI调节控制，得到相应控制电压之外，还需要分别加上交叉电压补偿项－ωeLsisq和 ωeLsisd＋ωeΨf，从而得到最终的 d，q 轴电压分量 usd，usq。

发电机的功率可由下式表示：

式中：Pe为发电机发出的电磁功率；Te为发电机的电磁转矩。

由式（5）、式（6）可知，调节发电机的电磁转矩，能够调节发电机的输出有功功率。而控制发电机的电流q轴分量可调节发电机的电磁转矩，所以，将功率外环的PI调节器输出作为发电机电流q轴分量的给定值，通过有功功率和电流双闭环来实现发电机输出功率的调节。因为通过控制电网侧变流器可将直流母线电压保持在恒定值，因此在系统运行过程中直流母线上的电容充放电功率变化不大，如果再忽略变流器的损耗，则可以认为发电机发出的有功功率经全功率变流器后全部馈入电网。因此，发电机发出的有功功率可通过测量电网侧变流器回馈到电网的有功功率Pg来近似获得。采用有功功率外环的电机侧变流器的控制框图如图3所示。

图3 机侧控制策略框图Fig.3 Control strategy block diagram of motor-side PWM converter

4 系统设计与实验

4.1 系统器件设计

永磁风力发电模拟平台如图4所示，系统采用直流电机模拟风机带动永磁电机发电，采用PLC控制西门子直流调速装置对直流电机进行调速，PXI控制双PWM控制器进行功率变换。

图4 永磁风力发电模拟平台系统框图Fig.4 System block diagram of PMSG wind power generation simulation platform

网侧和机侧PWM变换器采用英飞凌公司的IGBT模块，直流侧为2个电容并联，网侧变换器交流侧额定电压380 V，直流侧额定电压650 V。表1为驱动平台相关器件具体参数。

表1 永磁风力发电模拟平台系统器件参数Tab.1 Device parameters of wind power system simulation platform

4.2 系统软件设计

网侧变换器软件分成两个部分，主程序模块和中断服务程序模块。主程序模块主要完成系统初始化、外设模块控制寄存器初始化、用户自定义变量初始化，中断开放并等待进入中断服务子程序。主程序流程如图5a所示。

中断服务程序是网侧变换器的核心部分，大部分工作都是在中断服务程序中完成。中断服务程序采用模块化设计，主要功能包括对电动机电流电压、直流母线电压、永磁电机定子三相电流电压、网侧变换器三相电流、机侧变换器三相电流、电网三相电压的采样，3s/2r变换和反变换［4］，直流电压 PI控制，有功电流、无功电流PI控制，SVPWM［5］信号的生成和过流过压保护。中断服务程序框图如图5b所示。

图5 程序流程图Fig.5 Flow chart of program

4.3 系统实验和数据分析

在永磁同步风力发电系统模拟平台上，对网侧和机侧变流器进行实验研究。风力机捕获机械功率的数学模型［6］为

式中：R为风轮叶片的半径，半径为1 m；ρ为空气密度取 1.15；Cp为最大风能利用系数，取0.48。

网侧变流器直接接电网电压，所有波形通过Fluke435记录。风速设定为渐近风，由上位机监控平台风速模拟界面给出，风速模拟曲线如图6所示。实验时长4 min，初始风速10 m/s，在120 s时风速上升，至150 s时风速变为20 m/s。图7为从网侧逆变器测得的发电系统发出的有功功率。

图6 风速模拟曲线图Fig.6 Wind speed simulated curve diagram

图7 网侧变换器发出功率Fig.7 The power generated grid-side converter

根据风力机捕获机械功率的数学模型算出20 m/s风速时捕获最大功率理论值应为6.933 kW，与实验测得的发电功率相差0.786 kW。实验中变流器损耗约为0.5 kW，此外还存在着机械传动损耗和电机铜耗、铁耗等。因此，风力机在该风速下的实际发电量跟风机理论最大风能捕获的机械功率是相近的。电机发电过程中有两段稳定的时期，分别对应两个不同的风速阶段。图8a为风速10 m/s时对应的电机三相电流波形，图8b为风速20 m/s时对应的电机三相电流波形，此时的电流明显比前一个风速下对应的波形幅值大，频率也增大了约1倍。运行过程中电机电流谐波畸变率较低，约为5.8%，电机A相电流谐波畸变率如图9所示。上述实验数据表明，机侧变流器矢量控制策略实现了最大风能追踪，且在恒定风速下系统能保持稳定运行，电流谐波畸变率低，验证了机侧变流器控制的有效性。

图8 电机定子三相电流波形Fig.8 Three phase current wareforms of stator

图9 机侧A相电流FFTFig.9 FFT of stator′s A phase current waveform

在实际实验平台中，母线电压给定值设定为650 V。从图10中可以看出，稳态时直流母线电压值约为655 V，与母线电压给定值650 V相比偏差为0.77%，偏差值在容许的范围内，网侧控制策略很好地实现了直流侧电压稳定。

图10 直流母线电压波形Fig.10 DC-bus voltage waveform

图11为两段时间内的逆变器A相电压电流，可以看出，无功电流给定不为零时，网侧A相电压电流波形不再完全反相，电流值由8.3 A变到10.08 A，将两者相除可得功率因数为0.823，与图12功率因数趋势图测量结果一致。实验数据表明，网侧的电网电压定向矢量控制能够很好地调节PMSG发出的无功功率，实现无功功率因数自由可调。从而验证了网侧变流器的控制策略是正确有效的。

图11 网侧逆变器A相电压电流波形Fig.11 A phase′s voltage and current waveforms of grid-side

图12 功率因数趋势图Fig.12 Power factor tendency diagram

5 结论

本文介绍了永磁发电机模拟平台全功率变换器的数学模型及其控制原理，在此基础上搭建了PMSG硬件平台并作了实验验证。从实验波形可以看出，采用基于电网电压定向的双闭环控制基本能实现直流母线电压稳定和网侧变换器的单位功率因数运行，机侧变流器的矢量控制策略能实现PMSG的稳定运行和最大风能跟踪。为实际的PMSG风力发电机组的控制实现提供了一些参考依据。

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