永磁同步风力发电系统控制技术综述

史旭春

【摘 要】随着经济和科技水平的快速发展，风力发电机的维护系统使得风力发电机出现故障的隐患减小。此系统的应用有效延长了金风的永磁直驱发电机的使用寿命，提高了金风的永磁直驱发电机的可靠性和安全性。金风的永磁直驱发电机维护系统能够有效维护发电机的正常运行，降低了金风的永磁直驱发电机意外停机的风险，提高机组的运行效率，同时还能够降低金风的永磁直驱发电机装备的维护成本。在对其拓扑结构分析的基础之上对矢量控制技术和直接转矩控制技术应用于永磁同步风力发电机进行了详细的分析。最后，指出了永磁同步风力发电系统控制技术未来可能的研究重点和发展趋势。

【关键词】风力发电;永磁同步风力发电机;控制技术

引言

风能发电系统的研究中，风力发电机一直是国内外学者研究的重点。对于风力发电机而言，高效率、低成本以及高供电质量一直是其设计的主要目标。与其它电机相比，永磁電机具有更高的功率密度和效率，因而永磁风力发电机更能满足在风力发电应用上的需求。然而，由于永磁风力发电机的低速应用特征，通常需要采用极对数较大的设计方案，导致了磁钢用量增加，磁钢间漏磁增多等问题。除此之外，由于稀土材料价格较高，会使得风力发电机制造和后期维护成本较高，不利于风力发电的大规模建设和发展。

1风力发电机组故障诊断的研究现状

就目前发展而言，风力发电机的维护系统使得风力发电机出现故障的隐患减小。此系统的应用有效延长了金风的永磁直驱发电机的使用寿命，提高了金风的永磁直驱发电机的可靠性和安全性。金风的永磁直驱发电机维护系统能够有效维护发电机的正常运行，降低了金风的永磁直驱发电机意外停机的风险，提高机组的运行效率，同时还能够降低金风的永磁直驱发电机装备的维护成本。随着金风的永磁直驱发电机的广泛使用，社会对金风的永磁直驱发电机系统故障诊断技术给予巨大的关注。实时监控发电机设备故障并及时维护能够提高金风的永磁直驱发电机的可靠性，降低机器的运行成本。令人可喜的是国外和其他研究人员对于如何减少金风的永磁直驱发电机故障问题，对线圈中转子电流的谐波和搜索线圈电压的方法以及分析定子绕组的损坏作出了研究。对于金风的永磁直驱发电机来说，常用的、有效的方法是定子电流的频谱分析，该分析方法对于监测和诊断电动机存在的缺陷有着很大的作用。电流的频谱分析被用来感应电动机绕组出现的故障、机械的不平衡以及定子缺陷的诊断和监测。许多专家在小波分析理论的基础上提出了双功率风力发电机定子绕组故障的分析方法。许多学者使用金风的永磁直驱发电机时将动力转换成为连续小波变换。通过用频率大小除以分量的大小、机器的损伤程度和频率分布来识别风向和风力的等级。金风的永磁直驱发电机的轴承降低了生产成本，减少了对振动传感器的损坏。

2控制策略综述

2.1交替极永磁风力发电机结构设计

考虑到电机的功率输出和容错能力，该新型拓扑定子采用交流五项设计，在风力发电系统中，通过整流逆变电路转换为与电网同步的三相电压。同时，为了提高该交替极永磁风力发电机在故障状态下的容错运行能力，电枢绕组采用了隔齿绕的绕线方式，即在每相线圈之间保留一个容错齿。转子与定子同轴内置于定子内部，并采用内置式永磁转子结构以保证转子在运行中的结构强度。转子永磁体采用了“V型”排布的交替极结构，提高了永磁磁势和永磁体利用率。由于交替机拓扑用铁心极替代原有一半的永磁极，这拓宽了“V型”永磁结构中的两块磁钢夹角设置范围，有利于降低电机反电势中非工作谐波占比。在传统“V型”永磁结构下，由于所有永磁体相邻排布，“V型”磁钢夹角的调节范围受到相邻磁钢限制，制约了对电机反电势谐波畸变率的优化。

2.2无传感器直接转矩控制

同样地，为了减少传感器的使用，提高风力发电系统的可靠性，不少学者对永磁同步风力发电机直接转矩控制无传感器控制技术做了许多研究。提出了无位置传感器情况下两种转子检测的方法，但是并未将其应用至实践中。一种永磁直驱型风力发电系统的无风速传感器直接转矩控制策略，直接控制电机的转矩和定子磁链来实现永磁同步发电机的最优控制，不需要转速外环，避免了风速的测量和风速测量不准确等问题，但是对发电机转速的测量精度提出了更高的要求。将SVM和无位置传感器技术相结合用于直接转矩控制系统。提出一种利用RBF神经网络进行风速估计并考虑损耗转矩的最大风能跟踪控制策略。

2.3自抗扰控制

为了解决风力发电系统非线性、不确定性、强干扰的问题，一种以实现最大功率跟踪控制为目标，实时跟踪电机转速的基于最佳叶尖速比的自抗扰控制（ADRC）策略，该方法不依赖系统数学模型，将永磁同步风力发电机存在的所有干扰看作系统总干扰，利用扩张状态观测器对系统的总干扰进行估计，然后通过反馈控制器进行干扰补偿。将ADRC和PI相结合，不足之处在于这种控制技术还未对系统进行无传感器方面的研究。

2.4故障诊断分析

永磁直驱发电机故障监测和诊断系统主要包括对风机运行状况的分析，为了使风力发电机减少故障发生率，施工人员和维护人员采用了一种独特的故障诊断方法，这种方法不仅节省了设备的维护成本，而且还满足了现有金风的永磁直驱发电机的使用需求。作为管理维护发电机的工具，风力发电机的监测和故障诊断系统需要进一步改善，现场施工人员还应该创建综合风力发电场，减少工作人员的工作量。由于发电机的独特性，相应部门应当采用适当的措施对金风的永磁直驱发电机实施维护和管理。

3发展趋势

一是研究可靠性高的复合控制算法，将矢量控制和直接转矩控制有效结合起来，扬长避短，可以同时满足稳态精度和动态响应的要求;二是针对多极永磁同步风力发电控制技术的研究，随着永磁同步风力发电系统容量的不断扩大，永磁同步风力发电机向多极化发展是必然的趋势;三是对先进控制引入后的简化处理，虽然目前已成功将诸如模型预测控制、自抗扰控制等先进控制技术与矢量控制和直接转矩控制相结合，但是无一例外其计算过程非常复杂且难以理解;四是针对新型变流器拓扑结构，控制技术与多电平变换器结合的研究;五是针对基于观测器的算法，使算法受电机参数影响更小，提高系统的可靠性。

结语

在永磁同步风力发电系统控制技术中，矢量控制通过将发电机直轴电流设定为零，对其电磁转矩和磁链进行控制，但坐标变换引起计算复杂，对数字信号处理能力要求较高;直接转矩控制技术直接以转矩为被控制量，给定定子磁链幅值，通过调节空间电压矢量来直接改变定子磁链和转子磁链之间的夹角，进而直接控制转矩，但是要重视电机参数对算法的影响。

参考文献：

[1]刘细平，于仲安，梁建伟.风力发电技术研究及发展[J].微电机，2007，40（4）：76-79.

[2]魏伟，许胜辉.风力发电及相关技术综述[J].微电机，2009，42（4）：66-69.

[3]刘细平，黄筱霞.一种双定子低速稀土永磁同步风力发电机设计研究[J].微电机，2006，39（8）：25-27.

[4]曹江华，杨向宇，姚佳.双转子永磁同步风力发电机设计与应用[J].微电机，2008，41（2）：65-67，85.

[5]林显军，程小华.开关磁阻风力发电技术[J].电机与控制应用，2011，38（9）：46-50.

[6]张建忠，程明.新型直接驱动外转子双凸极永磁风力发电机[J].电工技术学报，2007，22（12）：15-21.

[7]王文博.直驱式外转子永磁同步风力发电机及计算机辅助设计[D].广州：广东工业大学，2011.

（作者单位：国投哈密风电有限公司）