TSMC直驱风力发电系统MPPT优化控制

2016-03-11邓文浪胡毕华蒋卫龙陈勇奇

电源技术 2016年4期

关键词：风能风力永磁

邓文浪，袁婷，胡毕华，蒋卫龙，陈勇奇

(湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭411105)

TSMC直驱风力发电系统MPPT优化控制

邓文浪，袁婷，胡毕华，蒋卫龙，陈勇奇

(湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭411105)

以基于双级矩阵变换器 (TSMC)的永磁同步风力发电系统为研究对象，阐述了最大风能追踪的原理，分析了TSMC直驱式风力发电系统的功率集成控制，提出了一种利用转子转动惯量功率实现最大风能追踪的控制算法。在传统功率控制算法中加入一个比例控制器，加快了系统捕获风能的速度。在Matlab中搭建了TSMC风力发电系统的仿真模型，仿真结果表明：新MPPT算法在风速突变时，加快了系统的动态响应；在风速不变时，保持系统的稳定运行，使系统能快速且准确地捕获风能。

TSMC；MPPT；直驱式风力发电系统；永磁同步发电机

随着风力发电技术的不断发展，直驱式永磁同步风力系统因其无需增速齿轮箱、维护量小、运行效率高、对电网冲击小的优点引起了广泛关注。双级矩阵变换器(TSMC)因其控制自由度大、输入功率因数可调、功率可双向传输等特点，已成为国内外电力电子和风力发电领域的研究热点[1]。使风力发电机保持运行在最佳叶尖速比上，从而捕获最大的风能[2-10]。目前最大风能跟踪的方法有：叶尖速比法[3，5]，功率信号反馈法[3，5]，爬山法[2，5]。爬山法用于转动惯量较小、风力机参数不明确的小型机组。对于转动惯量较大、已知风力机参数的大中型机组，可以采用功率反馈控制的最大风能跟踪方法。

本文从风力机的特性出发，针对直驱风力发电系统和TSMC直流侧无储能装置的特点，提出了一种利用转子转动惯量功率实现最大风能追踪的算法，通过对逆变侧有功功率的分级控制实现系统最大风能捕获。在功率控制中加入一个比例控制器，系统经过反馈控制后，实际输出功率能更好地跟踪逆变级给定功率，实现最大功率输出。通过对风力发电系统逆变级输出有功无功功率的控制，使系统能更快速、更准确地捕获风能。

1 最大风能追踪原理

为了简化分析，本文假设传统系统为刚性系统并忽略摩擦，则永磁同步发电机的传动链方程为：

2 新型MPPT控制策略

输出转矩可表示为：

由式(10)的传递函数可知，系统的输出性能与风力机参数、等效转动惯量等有关。为提高MPPT算法的动态响应，风力机转矩和发电机转矩的差值需要增大，使系统能加速运行。此外，MPPT算法在稳定状态时应保持最大风能利用率。

当机组稳态运行时，比例控制器支路输出为0，新MPPT算法和传统算法稳态运行状态相同，可以实现最大风能跟踪。在风速突变时，作用在风力机组传动链上的功率差将增大，从而使风力机组动态运行加速增大，加速了机组最大功率跟踪速度。

3 控制系统结构框图

TSMC直驱风电系统的最大功率控制策略如图1所示。整流级采用开环控制；逆变级采用基于同步旋转d、q坐标系的双闭环控制。其中，外环是功率控制环，发电机的参考功率由最大风能跟踪算法给出；根据电网所需要的无功功率来进行给定，选取无功功率为0；内环是电流控制环，是交叉耦合电压补偿项，ω0为电网的角频率，可以实现对d、q轴电流的解耦控制，交叉耦合电压补偿项加上电流调节器的输出控制电压和，就可以得到d、q轴上的控制电压分量，经过模块计算和坐标变换形成逆变级驱动信号。逆变级的闭环控制可以实现最大风能跟踪和输出有功、无功功率的解耦控制。

图1 基于TSMC的直驱式风力发电系统控制框图

4 仿真实验及结果分析

本文在Matlab/Simulink软件中搭建了一台25 kW的永磁直驱式风力发电系统的仿真模型。仿真参数：(1)空气密度ρ= 1.225 kg/m3，风力机桨距角β=0°，桨叶半径=4 m，最佳叶尖速比，额定风速为12 m/s；(2)电网电压=200 V，= 60 Hz，电阻=0.01 Ω，TSMC输出滤波电感=1 mH，输出滤波电容=0.01 mF；(3)永磁同步发电机额定电压为=690 V，定子相电阻=0.29 Ω，转动惯量为=5 kg3m2，极对数为=6，交轴电感=3.5 mH。图2为风速变化波形图，风速分别在0.1、0.2 s处从12 m/s突变至11 m/s、11 m/s突变至12 m/s。

图2 风速变化波形

图3 给定功率和逆变级、发电机输出有功功率

图3为逆变级有功功率给定和逆变级、发电机输出的有功功率。当风速变化时，逆变级输出有功功率能够根据最大风能跟踪算法及时调整，实时跟踪逆变级有功功率给定。由于TSMC中间没有储能装置，发电机侧(即TSMC输入侧)输出功率与逆变级的输出功率输出变化相同。

图4为风速突变时a相电压电流，网侧d、q轴电流。a相电压和电流的相位角为0°，实现了单位功率因数控制，输出电流谐波少、正弦性好。风速变化时，网侧有功电流迅速变化，具有良好的动态响应性能。网侧电压和电流的频率保持不变，实现了变速恒频运行。

图4 风速变化下网侧电压、电流波形

图5是新型MPPT算法与传统功率控制算法的波形对比，新型MPPT算法使逆变级输出功率能更快地达到最佳值，表明系统能有效捕获最大风能。

图5 新型MPPT算法与传统功率控制算法的比较

5 结语

本文提出了一种基于TSMC的直驱风力发电系统的最大风能追踪算法。该算法采用加入比例控制器的功率控制算法，给出逆变级的有功功率给定值，实现了网侧的有功、无功解耦控制。实验结果表明，新型MPPT算法在风速突变时，加快了系统的动态响应；在风速不变时，保持系统的稳定运行，具有良好的动静态控制性能，可实现最大风能跟踪。

[1]邓文浪，杨欣荣，朱建林，等.18开关双级矩阵变换器的空间矢量调制策略及其仿真研究[J].中国电机工程学报，2005，25(15)：94-90.

[2]邓文浪，谢敏，段斌.TSMC直驱风力发电系统最大风能跟踪研究[J].电网技术，2012，36(5)：73-79.

[3]KIM K H，VAN T L，LEE D C.Maximum output power tracking control in variable speed wind turbine systems considering rotor inertial power[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，60(8):3207-3217.

[4]张小莲，李群，殷明慧，等.一种引入停止机制的改进爬山算法[J].中国电机工程学报，2012，32(14)：129-134.

[5]黄守道，卢季宁.新型爬山算法在大惯性风电系统中的应用[J].控制工程，2010，17(2)：229-231.

[6]吴政球，干磊.风力发电最大风能跟踪综述[J].电力系统及其自动化学报，2009，21(4)：93-99.

[7]KIM K H，LEE D C.Fast tracking control for maximum output power in wind turbine systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，12:1-5.

[8]赵梅花，杨勇.新型混合励磁直驱式风力发电系统MPPT控制[J].电工技术学报，2013，28(5)：30-36.

[9]邓文浪，倪泽平.应用双级矩阵变换器的永磁直驱风力发电系统集成控制策略[J].太阳能学报，2012，33(4)：577-595.

[10]赵仁德，王永军，张加胜.直驱式永磁同步风力发电系统最大功率跟踪控制[J].中国电机工程学报，2009，29(27)：106-111.

Optimal control for maximum power point tracking in direct-driven wind power generation system based on two stage matrix converter

The control strategy of the permanent magnet synchronous wind power generation system based on two stage matrix converter(TSMC)was investigated.The power integration control of TSMC direct drive wind power system was explained.A new MPPT algorithm which takes advantage of rotor inertia power was proposed.A proportional controller was added into the traditional power control algorithm to improve the fast performance of the MPPT control.The simulation results show the new MPPT algorithm speeds up the dynamic response when the wind speed changes and maintains the stability when the wind speed keeps constant.

TSMC;MPPT;direct-drive wind power system;permanent magnet synchronous generator

TM 614

1002-087 X(2016)04-0830-03