直驱型同步风力发电机组最优功率控制

张文秀，　陆豪乾,　孙　娟

(1. 南京理工大学 能源与动力工程学院，江苏 南京　210094；2. 国电南瑞科技股份有限公司 深圳分公司，广东 深圳　518054)

直驱型同步风力发电机组最优功率控制

张文秀1，陆豪乾2,孙娟1

(1. 南京理工大学 能源与动力工程学院，江苏 南京210094；2. 国电南瑞科技股份有限公司 深圳分公司，广东 深圳518054)

以直驱型同步风电机组为研究对象，建立了机组各个组成部分的数学模型。在此基础上利用MATLAB/Simulink搭建了基于全功率变流器的并网直驱型同步风电机组的仿真模型，研究了使机组运行在最优功率状态下的综合控制策略，利用所建模型进行了最优功率控制思路的验证。仿真结果表明了所建立模型的正确合理性，在此基础上的最优功率控制方法也是有效的，为以后对风电机组运行控制更进一步的研究奠定了基础。

直驱型同步风电机组； 仿真； 最优功率； 运行控制

0　引　言

“十二五”规划中，新能源继续被作为战略性新兴产业的重要内容。我国的风电总装机容量将进一步增加,开展风电接入系统的运行与控制技术研究对保证风电大规模接入后电力系统的稳定运行具有十分重要的意义。

变速恒频风力发电是20世纪末发展起来的风能开发技术，正成为风电技术的主流，具有运行效率高、机组磨损小、电能质量佳等优点[1]。如何对风电机组进行控制使其运行在最优的功率状态下，已成为最近研究的一个热点。与双馈风力发电机组相比，直驱型同步风力发电机组省去了易损坏的齿轮箱，提高了系统效率和可靠性，采用永磁体励磁，不存在励磁绕组损耗问题，具有较强的低电压穿越压力，目前已成为风电机组的主要机型之一。

基于双PWM型变流器的直驱型同步发电系统，具有优良的运行特性和功率双向流动等优点，可使得有功功率和无功功率得到独立控制，实现全功率并网，其拓扑结构受到了广泛关注和研究[2]。本文根据直驱型同步风电系统的特性，详细构建了包括风力机、传动系统、永磁同步发电机、PWM整流器在内的整个系统的数学模型，并利用MATLAB/Simulink建立仿真模型，仿真研究了额定风速以下基于转速控制的最大功率跟踪策略和额定风速以上桨距角控制的功率控制策略。通过电机侧变流器和电网侧变流器的协调控制，从而使风电机组运行在最佳输出功率下，实现了风电机组整个运行过程的最优功率控制。

1　直驱型风电机组系统及数学模型

本文研究采用的直驱型风电机组系统结构如图1所示，主要包含以下模块： 风力机、永磁同步发电机、双PWM型全功率变流器及电网。其中风力机将风能转化为机械能，永磁同步发电机再将机械能转化为电能后经变流器整流逆变后馈入电网。

图1　基于双PWM变换器的直驱风电系统结构

1.1风力机模型

根据贝茨(Betz)理论[3]，风轮捕获的风能即风力机吸收的机械功率为

(1)

(2)

Pw=Twωw

(3)

(4)

式中：ρ—空气密度；

R——风力机转子半径；

Cp——风能利用系数；

λ——叶尖速比；

β——桨距角；

v——风速；

ωw——风力机转子转速；

Tw——风力机的机械输出转矩。

风力机获取风能的大小由风能利用系数Cp决定，而风能利用系数Cp与叶尖速比λ和桨距角β是非线性关系。在给定桨距角和给定风速的情况下，风力机只有运行在一特定的转速下Cp才最大，输出的功率也最大。将各风速下对应的最大功率连线，就能得到风力机的最优功率曲线[4]。在电力系统动态仿真中，通常采用逼近法描述Cp[5]：

式中：C1=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068[6]。

1.2永磁同步发电机模型

对于永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG)，除了励磁绕组用永磁体代替以外，其他基本上与同步发电机一样。因此，只要用永磁转子的等效磁导率算出电机的各种电感，并假定其励磁电流为常数，就可以采用同步电机的分析方法进行分析。

本文在d、q轴同步旋转坐标系下建立的PMSG模型为

(7)

式中：isd、isq——发电机的d、q轴电流；

Ra——定子电阻；

Ld、Lq——发电机的d、q轴电感；

ωe——电角频率，ωe=npωg；

np——发电机极对数；

ψ0——永磁体的磁链；

ud、uq——发电机输出电压的d、q轴分量。

对于径向式转子磁路结构有Ld=Lq[7]，令Ld=Lq=L，式(7)可以写成

(8)

定义q轴反电势eq=ωeψ0，d轴反电势ed=0[8]，PMSG在d、q轴同步旋转坐标系下的等值电路如图2所示。

图2　d、q轴同步旋转坐标系下的等值电路

PMSG的电磁转矩Te为

Te=1.5np[(Ld-Lq)isdisq+isqψ0]

(9)

由Ld=Lq=L可知，电磁转矩Te不受id的影响，因此将其简化为

Te=1.5npisqψ0

(10)

由式(10)可看出，通过控制发电机定子q轴电流就可以控制发电机的电磁转矩，从而进一步控制发电机转速。

1.3传动系统模型

直驱型同步发电机组省去了传统风机中的齿轮箱，风轮机转轴直接与发电机转子相连，因此发电机转子转速与风轮叶片转速相等。直驱型同步发电机组的轴系动态方程可用一阶动态微分方程表示[9]：

(11)

式中：ωm——转子机械角速度，ωr=npωm；

Jeq——机组等效转动惯量；

f——阻尼系数。

1.4变流器模型

电机侧变流器与发电机定子直接相连，在d、q轴同步旋转坐标系下的电压方程为

(12)

功率方程为

(13)

电网侧变流器通过直流电容与电机侧变流器相连，网侧变流器在d、q轴同步旋转坐标系下的电压方程为

(14)

式中：R、Lg——电网侧线路等效电阻、网侧变流器进线电抗器电感；

ugd、ugq——网侧变流器电压的d、q轴分量；

igd、igq——网侧电流的d、q轴分量；

egd、egq——电网电压矢量ug的d、q轴分量；

ωg——电网电压电角速度。

在选取d轴电网电压定向时，egq=0，电网侧变流器与电网交换的有功功率和无功功率分别表示为

(15)

2　最优功率控制系统

对于特定的风力机，都有一条特定的最优转速-功率曲线。最优功率曲线可以通过试验确定，生产厂家可以将最优功率曲线整定进系统。直驱型同步风电机组的功率控制目标就是使机组运行在最优功率曲线上[10]。

直驱型同步风电机组最优功率控制系统主要由电机侧变流器控制系统、电网侧变流器和桨距角控制系统组成。在额定风速以下，直驱型风电机组的最优功率控制通过电机侧变流器来调节发电机转速，从而实现最大功率点跟踪。在额定风速以上，直驱型风电机组的最优功率控制通过变桨控制系统控制风机输出功率维持在额定值附近。网侧变流器主要在功率输出时稳定直流环节电压，对有功功率和无功功率进行解耦，在稳态并网时实现单位功率因数输出，保证机组输出有功功率最大[11]。上述控制系统共同作用，将直驱型风电机组维持在最优功率运行状态，提高机组发电效率。

2.1发电机侧变流器控制

发电机侧变流器采用转子磁场定向的矢量控制技术实现对该电机的控制。系统采用转速外环、电流内环的双闭环控制结构，经过PI调节和电压前馈补偿得到参考电压指令，再通过利用电压空间矢量脉宽调制技术来控制变换器中开关的通、断，进而调节发电机定子电流。控制发电机定子电流d轴分量为0，当风速变化时，通过控制发电机定子电流q轴分量可实现对电磁转矩的控制。通过调节发电机的电磁转矩来及时调整风力机转速，使其始终保持最佳λ运行，即可实现直驱型永磁同步风力发电机组的最佳风能跟踪控制。

0当风速变化时，永磁同步发电机输出的最优功率指令P*可以表示为

P*=kω3-ΔP

(16)

其中：k=ρA(R/λopt)3Cpmax/2

ΔP=P0+PCus+PFes

式中：P0、PCus、PFes——机械损耗、定子铜耗、定子铁耗[12]。

根据式(16)给出的有功功率指令P*控制发电机输出的有功功率P，可使风力机实时捕获最大风能。控制系统外环采用有功功率的闭环PI控制，其调节输出量作为发电机定子电流q轴分量给定；控制系统内环则分别实现定子d、q轴电流的闭环控制。

2.2网侧变流器控制

结合发电机侧变流器和电网侧变流器相关信息构成的控制框图如图3所示。

2.3桨距角控制

桨距角控制的目标是当风速大于额定风速时，为使发电机和变流器容量不至于过载，风力机捕获的风能不能继续增加而保持不变。这时应调节风力机叶片的攻角，使风力机叶片向迎风面积减小的方向转动一个角度，以减小风能捕获，限制风电系统的功率输出，使其保持在额定功率附近，从而保证风电系统的安全稳定运行。

本文采用桨距角控制策略如图4所示。其中，风电机组的实际输出功率P与给定功率参考值Pref之间的偏差经过区间[0,∞]的限制后输入到PI调节器，这样确保在风机功率超过额定功率时起动桨距角控制系统，以限制系统功率输出；通过PI调节可实现输出功率的无差控制，并且还能提高桨距角控制系统的动态响应速度，从而使风电系统的输出功率限制在额定值附近[16]。当风速大于额定风速时，风速v与风机的额定风速vN之间的偏差输入到PI调节器，两调节器输出之和再经[βmin,βmax]限制得到桨距角的控制信号。

图4　桨距角控制框图

3　仿真分析

本文利用MATLAB/Simulink仿真软件，建立了直驱型永磁同步发电机组的仿真模型，具体参数如下： 额定风速11m/s，风轮直径3m，额定功率5000W，定子电阻0.02Ω，机组转动惯量0.335kg·m2，极对数15，直流侧电容1800μF，直(交)轴电感7.8mH，永磁体磁链1.12Wb。

为了很好地验证所建模型的正确性，以及分析机组的最优功率控制效果，仿真风速采用具有几次突变过程的风速(见图5)。在额定风速以下，验证风电机组能否根据风速变化来调节风力机转速，实现最大功率点跟踪；在额定风速以上，验证此时风电机组能否实现变桨控制，实现输出功率稳定。

图5　仿真结果

由图5可知，在风速低于额定风速时，发电机的转速与输出的有功功率具有良好的动态响应特性，电机侧变流器根据风速变化调节发电机转速，明显看出发电机电磁转矩也跟随变化，桨距角没有变化，风能利用系数曲线保持在最大值上，实现了最大功率点的跟踪，此时风电机组功率运行在最优值。当风速高于额定风速时，桨距角随着风速的变化及时调整，进行变桨控制，发电机电磁转矩曲线和转速曲线没有发生改变，发电机输出的有功达到额定值，并且维持在这一额定值不变，实现了高风速下的最优功率控制，有利于风电机组的安全运行。在风电机组整个运行过程中，由于电网侧变流器采用单位功率因数控制，直流环节电压基本保持不变，无功功率也基本在零值附近波动，很好地实现了功率解耦。同时，由图5(i)中曲线可知，发电机定子d轴电流为0，q轴电流变化趋势与电磁转矩变化趋势一致，验证了发电机侧变流器通过控制q轴电流实现控制电磁转矩进而实现最大功率点跟踪的有效性。

4　结　语

本文详细描述了直驱型风电机组各个组成模块的数学模型，并利用MATLAB/Simulink进行仿真，得到风能利用系数、桨距角、发电机转速、有功和无功功率等一系列仿真曲线。从仿真运行结果可以看到，本文所建立的基于双PWM变流器直驱型同步风电机组模型正确有效，实现了机组的变速运行和最大功率跟踪及系统有功、无功功率的解耦控制，具有很好的动态响应性能，能适应风速的突然变化，验证了最优功率控制策略的有效性。一系列的控制过程使得风电机组在整个运行过程中能够保持在最优功率运行状态。这对以后大规模风电机组运行控制研究有一定的指导意义。

[1]罗苏华，陆显斌，杨贵杰.永磁直驱风电系统运行特性的仿真分析[J].微特电机，2011,10(2)： 29-33.

[2]郑荣美，朱凌，李瑞柯.基于双PWM型PMSG的风电系统的控制策略研究[J].电力科学与工程，2011,27(10)： 6-10.

[3]YOUNSI R,EI-BATANONY I,TRITSCH J B,et al.Dynamic study of a turbine blade with horizontal axis[J]. Eur J Mech A/Solids，2001(20)： 241-252.

[4]刘其辉，贺益康，赵韧德.变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制[J].电力系统自动化，2003,27(20)： 62-67.

[5]吴学光,张学成,印永华，等.异步风力发电系统动态稳定性分析的数学模型及其应用[J].电网技术,1998,22(6)： 68-72.

[6]HEIER Siegtied.Grid integration of wind conversation syste ms [R].John Winley&Sons Ltd,Chicester,UK,1998.

[7]陈浩，胡晓波，严干贵，等.直驱永磁风力发电机组低电压穿越的协调控制策略[J].电网技术，2013,37(5)： 1466-1470.

[8]王江,李韬,曾启明，等.基于观测器的永磁同步发电机微分代数非线性控制[J].中国电机工程学报，2005,25(2)： 87-92.

[9]廖勇，何金波，姚骏，等.基于变桨距和转矩动态控制的直驱永磁同步发电机功率平滑控制[J].中国电机工程学报，2009,29(18)： 71-76.

[10]严干贵，魏治成，穆钢,等.直驱永磁同步风电机组的最优功率控制[J].电机与控制学报，2009,1(13)： 56-60.

[11]郭瑾，张友鹏.永磁直驱同步风电系统并网运行仿真[J].电源技术，2013,37(4)： 617-620.

[12]姚骏，廖勇，庄凯.永磁直驱风电机组的双PWM变换器协调控制策略[J].电力系统自动化，2008,32(20)： 88-92.

[13]雷亚洲,GORDON L.国外风力发电导则及动态模型简介[J].电网技术,2005,29(12)： 27-32.

[14]迟永宁.大型风电场接入电网的稳定性问题研究[D].北京： 中国电力科学研究院，2006.

[15]CHINCHILLA M, ARNALTES S, BURGOS J C.Control of permanent magnet generators applied to the grid[J].IEEE Transon Energy Conversion, 2006,21(1)： 130-135.

[16]池伟,石庆均,陈宏伟,等.基于双PWM变换器的永磁直驱风电系统控制策略研究[J].机电工程，2012,19(4)： 435- 438.

Optimal Power Control Research of Direct-Driven Wind Turbine with Synchronous Generators

ZHANGWenxiu1,LUHaoqian2,SUNJuan1

(1. School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094, China； 2. NARI Technology Development Co., Ltd., Shenzhen 518054， China)

Focused on the direct-driven wind turbine with synchronous generators. An overall mathematical model comprising all components of the system was established, with the mathematical model, a direct-driven wind power generation system simulation model which was connected to the grid based on full scale converter was set up by MATLAB/simulink, then researched the integrated control strategies used to make the system operate in the condition of the optimal power, the idea of optimal power control was studied by using the established model .The simulation results showed that the established model was correct and reasonable, and the control strategies of the optimal power based on the model was effective, which lays the foundation for further research on the operational control of wind generation system.

direct-driven wind turbine with synchronous generators; simulation; optimal power; operational control

2014-09-10

TM 315

A

1673-6540(2015)03-0047-06