直驱永磁风力发电系统仿真与优化控制

陈乔照

摘要：直驱永磁风力发电系统较其他风力发电系统而言，其转速可在大范围内变化，其风能转换为电能的效率较高。该系统直接由风机驱动，省去齿轮箱等中间环节，减少了维护费用和发电系统的噪音，同时降低了部分机械损耗。发电机转子由永磁材料构成，无需励磁控制，控制相对简单。因此，基于直驱永磁风力发电机的风力发电系统具有转速可调，效率较高，控制灵活等特点。

关键词：直驱永磁风力发电系统仿真;优化控制

前言：

环境污染，能源危机日益严重，风电因其高效、清洁而得到各国关注。永磁同步发电机相比双馈异步发电机，因高效、高可靠性成为海上风电主流机型。变速永磁风电始于上世纪90 年代，欧美国家规模已趋向大型化，国内目前规模尚小，“弃风限电”严重，且随装机容量需求快速增长，变速恒频与全功率变流将成为风电产业关键技术，并迅速向多种地形扩展。

一、直驱永磁风力发电系统常见模型

1.工作原理。直驱永磁风力发电系统是由风轮机直接耦合永磁风力发电机，发电机输出由可控硅整流后，再经过逆变器将能量发送给电网或蓄电池。其基本原理是利用风力带动风力机叶片旋转，拖动直驱永磁发电机的转子旋转，实现发电。直驱永磁风力发电系统的变频恒速控制是在定子回路中实现的，把直驱永磁发电机变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电，实现风力发电的并网，因此变频器的容量与系统的额定容量相同。

2.直驱永磁风力发电系统驱动动力来源于风机，这不仅能够减少系统维护成本，降低机械损耗，而且还能提高系统控制效率，这一系统具有转速调节、灵活控制优点。针对其仿真过程具体分析，即通过观察参数变化来获得仿真分析结果。下文介绍常见系统模型，以便为仿真分析奠定理论基础。（一）风轮机模型。这一模型即系统借助背靠背变换器连接于电网，将风轮机设备视为刚体，针对该设备动态描述时，借助一阶简化模型完成动态描述任务。在这一过程中，应用公式计算得出系统惯性时间常数，需要说明的是，风轮机负责能量转换工作，即风能转换为机械能，其中，机械功率计算方法为：1/2× 空气密度 × 风轮机叶片接触面积 × 风速 × 风轮机输出功率系数 × 桨叶节距角和叶尖速度比函数。（二）永磁发电机模型。该模型具体包括精确模型和实用模型两部分，其中，精确模型准确确定永磁体基波励磁磁场轴线，并合理设置电流输出方向，应用定子电压方程求得直轴分量以及交轴分量。对于实用模型，即在电力系统动态分析的基础上，借助定子电压方程求得电子系统动态值。（三）变换器模型。永磁风力发电机组成部分包括三部分，第一部分即电容器，第二部分即发电机侧变换器，第三部分即网络侧变换器。具体组成内容包括发电机端电压、并联电容器电压、发电机测控控制器电流、网络侧控制器电流、电容器电流、网络侧控制器电压。

二、仿真分析

（一）系统仿真波形。由基础风、阵风、渐变风和随机风叠加而成的自然风作为直驱永磁风力发电系统的输入风速。由直驱风力发电系统的动态可知，发电机转速随着输入风速的变化而变化，发电机侧输出有功功率曲线与最大功率追踪曲线吻合，表明发电机能较好地跟踪最大风功率。

（二）发电机模型适用性比较。将发电机精确模型和实用模型分别与负载相连，设置负载电阻在 100s 时由 1.4 pu 突变至 1 pu，风速维持 10m/s 的恒定值。由此可知，精确模型在 100s 处波形变化明显。精确模型计及定子电磁暂态过程，当电阻负载下降时，电流应增大。但由于发电机电压方程中存在电流微分过程，使电流不能突变，则通过在 100s 时端口电压上升以阻止电流增大，反映到发电机侧有功功率曲线上为瞬时激增。而实用发电直驱永磁风力发电系统仿真与优化控制机模型中忽略了定子暂态过程，发电机有功功率曲线无上升过程。另外，将发电机精确模型和实用模型，分别与变换器及其控制器相连，并入三相系统中。在 40s 处设置三相短路接地故障，经过 0.01s 退出故障。由此可知，当 40s 发生三相短路故障时，两种模型下的网络侧有功功率曲线基本吻合。

三、直驱永磁风力发电系统优化控制

对直驱永磁风力发电系统而言，控制器对发电系统的动态有重要影响。在搭建仿真模型的过程中，设置合适的控制器参数能有效提高风力发电系统的动态性能。本文通过对控制器参数进行优化来改善系统动态性能，取故障时刻网络侧控制器的直轴电流变化量为优化变量，将控制器参数集作为粒子，利用粒子群算法对网络侧三组控制器参数进行优化。

（一）粒子群算法。它是一种智能优化算法，也是一种思路简单，易于实现的高效率算法。在电力系统领域，应用传统的优化算法处理问题需特定的公式，但粒子群算法可通过微小的修正来适应不同种类的优化问题。粒子群算法的核心思想是将一群随机初始化的粒子看待解决问题的可行解，设定适应度函数来描述可行解的优劣。每个粒子在一定的空间范围内运动，由设定好的速度决定其运动方向和步长。

（二）粒子群算法在控制器参数优化中的应用。粒子群算法的核心思想是将一群随机初始化的粒子看做待解决问题的可行解，设定适应度函数来描述可行解的优劣。每个粒子在一定的空间范围内运动，由设定好的速度决定其运动方向和步长。通过比较其他粒子的历史最优点和自身的当前最优点，逐代寻优，最终获得最优解。利用粒子群算法对网络侧控制器的三组控制器参数进行优化计算。将直驱永磁风力发电系统连接至三相系统中，根据电网电压定向的矢量控制技术，在 坐标系下，将网侧变换器的有功功率 作为反映系统性能的动态指标为网络侧有功功率 仅与电网电压和网络侧直轴电流有关，通过改变直轴电流可改变网络侧有功功率。因此，将网络侧直轴电流在故障下的最大值作为优化目标，通过逐次迭代，使电网发生故障时，网络侧直轴电流最大变化量达到最小，从而获得控制器参数的最优解。具体实现过程如下初始化。根据位置和速度上下限设定每个粒子的位置和速度，并将初始时刻所有粒子的位置保存到局部最优位置中，以电流的最大值最小为目标，寻找全局最优位置。根据每个粒子的适应值更新局部最优和全局最优位置。计算粒子适应度函数值，以此评价该粒子的优劣。总之，直驱永磁风力发电系统较其他风力发电系统而言，其转速可在大范围内变化，其风能转换为电能的效率较高。该系统直接由风机驱动，省去齿轮箱等中间环节，减少了维护费用和发电系统的噪音，同时降低了部分机械损耗。同时，发电机转子由永磁材料构成，无需励磁控制，而且其控制相对简单。编写粒子群算法程序，通过仿真模型与粒子群算法进行数据交换，交替迭代，达到对控制器参数进行逐级寻优的目标。

结束语：

风力发电系统的快速发展，其在电力能源中所占的比重日益增加。由于永磁直驱型风力发电系统在结构上省去了传动齿轮箱，且通过电压源换流器高压直流输电与电网连接，具有结构简单、发电效率高、运行可靠性高及维护成本低等优点，是目前风力发电技术领域的一个重要研究方向。直驱永磁风力发电系统无需齿轮箱，克服了双馈风力发电系统需要齿轮箱升速带来的成本高，易出现故障，可靠性差，效率低，调速范围较小等缺点，且不需要电励磁装置，重量轻，效率高，可靠性好，因此而成为研究的热点。

参考文献：

[1]趙梅花，阮毅，杨勇. 直驱式混合励磁风力发电系统控制策略的研究[J]. 电力系统保护与控制，2019，38（12）：19-24.

[2]张庆阳，郭家康. 世界风能强国发展风电的经验与对策[J]. 中外能源，2018，20（6）：25-34.