基于RT-LAB兆瓦级PMSG实时仿真及最大功率跟踪

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

近些年，风电作为一种清洁、绿色的可再生能源，在国内外得到了快速发展[1]。但由于风具有爆发性、间歇性、瞬时性，这使得风力发电系统很难充分的获取风能。因此，研究风力发电系统最大功率跟踪对于系统实现最大风能捕获具有重要意义。

目前，对风力发电系统最大功率点跟踪[2-3](MPPT)的研究大多只进行了全仿真分析，不能真实反映风力发电系统最大功率点跟踪的实况，而且，这样分析研究会显得过于理想，直接在真实系统中应用可能带来很大风险。另外，由于永磁直驱风力发电机多为几兆瓦，在对其进行稳定性分析时，很难进行真实系统的实验。

随着计算机技术的快速发展，实时仿真技术成为电力系统仿真研究的一种新手段，它结合了数字仿真和物理仿真的优点，被应用于新能源并网、微电网运行及控制等领域的研究[4-5]。相比于其他实时仿真实验平台，RT-LAB半实物仿真平台可以实现与MATLAB/Simulink完全兼容，可以直接将利用MATLAB/Simulink建立的动态系统数学模型应用于实时仿真、控制、测试的各个环节。RT-LAB实时仿真平台可以通过I /O口与外部硬件相连接，实现风电控制器的硬件在环，并可以模拟真实系统实时仿真过程中的在线调参，便于分析系统的动态过程。因此RT-LAB半实物平台为建立永磁直驱风力发电机模型提供了非常有效的技术手段。

本文对风力发电系统的最大功率点跟踪(MPPT)进行了研究。基于RT-LAB实时仿真平台搭建了2.5MW直驱式永磁风力发电系统仿真模型，对不同风速条件下，直驱式永磁风力发电系统工作情况进行了实时仿真实验，根据实验结果分析了不同风速下最大功率跟踪的特性。

2 兆瓦级直驱式永磁同步风力发电系统组成

本文以2.5MW直驱式永磁同步风力发电系统作为研究对象，如图1为PMSG系统主电路拓扑。

图1 永磁直驱同步风力发电系统

从图1可知，永磁直驱风机机组有风机模型、风力机模型、永磁同步发电机、全功率变频器、风力机组控制系统、变桨偏航执行机构以及电网等部分组成[6]。

其中风力机主要将风能转化为机械功率，永磁同步发电机将机械功率转换为电功率。风力机组控制系统、变桨偏航执行机构主要实现风机的控制，实现不同风速水平下最大功率点跟踪以及额定功率的输出。

3 基于RT-LAB的风力发电系统建模

半实物仿真又称硬件在环仿真，RT-LAB仿真平台是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一套半实物实时仿真平台系统，采用CPU+FPGA的硬件架构。通过RT-LAB，可以直接将利用MATLAB/Simulink建立的动态系统数学模型应用于实时仿真、控制、测试以及其它相关领域。

本文在MATLAB/Simulink环境中建立永磁直驱风力发电机系统模型，结合硬件在环作为研究平台。根据RT-LAB半实物仿真平台建立模型的要求，将建立的永磁直驱风力发电系统模型划分为两个子系统：SM_Type4Turbine和SC_display子系统，如图2所示。

SM_Type4Turbine为主(Main)子系统，负责模型和外部信号的解算，包含信号输入输出端口、PMSG模型等。SC_display为控制台子系统，与主子系统异步运行，负责对主子系统的实时监控。

图2 PMSG系统实时仿真模型顶层子系统

3.1 PMSG模型

在RT-LAB仿真平台中建立了永磁直驱风力发电机组仿真模型，如图3为直驱永磁式风力发电控制模型，部分参数如表1所示。

表1 PMSG参数

4 直驱式永磁风力发电机最大功率跟踪控制

如等式(1)所示，为了控制捕获的机械T功率，在给定风速下，唯一的可控项是功率系数，公式(2)为功率系数：

(1)

(2)

功率系数特性如图4所示。从该图中可以看出，不同的功率系数曲线对应于不同的浆距角。对于每种情况，存在最佳叶尖速比，其有助于峰值功率系数值，其进而导致最大功率捕获。

当风速值较低时，因叶尖速比与浆距角相关，所以通过实时调节浆距角，使其能够跟踪风速的变化，使风机运行在最优叶尖速比，实现最佳利用系数，从而获取最大化输的出功率，如图5所示。

当风速超出额定风速时，风机进入控制变桨阶段。此阶段需要风机工作在额定功率输出，通过浆距角控制，使发电机转速保持在额定转速附近，使风机工作在额定功率输出，如图6所示。

图3 直驱永磁式风力发电控制模型

图4 叶尖速比

图5 浆距角控制

图6 最大功率跟踪控制

5 基于RT-LAB实时仿真与结果分析

为了验证变化对风机运行的影响，在RT-LAB中仿真测试了切入风速和额定风速的运转情况，如图7所示。

如图7为衰减到1/300的风机输出电流波形，在仿真结果中可以看出，根据不同的风速水平，系统性能具有不同的特点，其如下：

(1)风速为3m/s：风速已进入切入速度，这意味着所产生的电功率足以补偿内部功耗损耗。因此，风力涡轮机开始旋转，并且PMSG开始产生电力，输出功率持续，单输出功率相对较小，随着风速的增加，电磁转矩和发电量会逐渐增加，此时输出电流为600A。

图7 PMSG输出电流Iabc的波形

(2)风速为10m/s：风机进入额定风速。经过控制系统控制，系统进入稳定状态，风机工作在额定功率，实现了最大功率跟踪。在稳态下，可以计算发电机转速，电磁转矩和发电量的理论值，以验证仿真结果。此时系统功率持续，输出电流为3900A。

(3)风速超出25m/s：由于风速不断增加，超过切出风速，对系统上的电气和机械应力构成威胁，系统停机，输出功率为零。

6 结论

本文对风力发电系统最大功率点跟踪(MPPT)进行了研究，搭建了基于RT-LAB实时仿真平台2.5MW直驱式永磁风力发电系统仿真模型，对不同风速条件下，直驱式永磁风力发电系统工作情况进行了实时仿真实验，根据实验结果分析了不同风速下最大功率跟踪的特性，研究结果表明：基于RT-LAB建立的2.5MW永磁直驱风力发电系统实现了最大功率跟踪。