风力发电机外文文献翻译

外文文献原名《Vector control strategy for small-scale gridconnectedPMSG wind turbine converter》中国知网上有

Chunxue Wen, Guojie Lu, Peng Wang, Zhengxi Li Member IEEE, Xiongwei Liu Member IEEE, Zaiming Fan Student Member IEEE

小规模发电PMSG风力涡轮转换器矢量控制

摘要——本文的目的是要找到一个创新的,效率高、实用、低成本并针对小规模发电并网风力涡轮机和直接驱动永磁同步发电机(PMSG)的控制系统结构与优化控制策略。本研究采用无传感器矢量控制策略基于锁相环(PLL)，对PMSG控制和电网侧逆变器控制策略是基于单相锁相环。仿真证明了无位置传感器控制策略和单相电网侧逆变器控制策略对PMSG风力涡轮机发电实用的解决方案,他们可以提供发电机转速控制，跟踪优化风力发电，保证良好的电能质量，控制电能传送到网格。设计的系统提供了许多独特的优势,包括简单的拓扑,优化的控制策略,成本效益和快速响应电网失效。

索引词——最大功率点跟踪(MPPT),PMSG,脉冲宽度调制(PWM)变流器、速度控制,变速风力涡轮机

Ⅰ、摘要

近年来,主要的研究方向都集中在可再生能源,比如风能和太阳能。风能由于其相对较低的成本而成为最受欢迎的可再生能源。按照大气条件采用最优控制效率高功率电子转换器来提取最高功率，整个系统成本可以进一步减少。[11]

风能转换系统基于永久永磁同步发电机(PMSG)是一种最有利的和可靠的发电方法。对比感应发电机(DFIG)风力机齿轮箱，直接驱动PMSG变速风力涡轮机可以明显改善可靠性。对于一个DFIG风力涡轮机，因为变速箱的存在，噪声、功率损耗、额外成本,和潜在的机械失败都是典型的问题。直接驱动PMSG的使用可以解决这些问题。

此外，低电压流过(LVRT)也是一个大问题,因为DFIG转子和定子电磁关系比

PMSG更复杂，因此对于DFIG来说安全可靠的解决LVRT问题更加困难。

在变速PMSG系统,矢量控制方法常被用在电网侧逆变器（一种电流调节电压

源逆变器）来实现有功无功解耦的近功率控制。通过这种方式,功率转炉维护直流环节电压和提高功率因数[1]、[7],[10]。不同控制下最大功率点跟踪方法(MPPT)变速风力涡轮发电机已讨论[2]、[4]、[7]。

本研究采用基于锁相环(PLL)对PMSG控制的无传感器矢量控制策略。这个方法只需要一个活跃的开关装置,即绝缘栅双极晶体管(IGBT),用来控制发电机的

转矩和速度,以提取最大风能。得益于无传感器矢量控制策略，这是为小规模风力涡轮机而设计的一个简单的拓扑结构和低成本解决方案。这个网格侧逆变器控制策略是基于单相锁相环,它将控制方法应用在直接正交(DQ)旋转单相逆变器从而实现框架的稳定状态和优越的动态性能[6]。

向消费者提供单相电源的小型风力发电机很受欢迎的。单相逆变器有许多的控制方法，如PI控制器,准公关控制器等。然而,这些方法即使具有良好的功率控制性能却也不能分离有功功率和无功功率。单相锁相环方法基于DQ旋转框架能很好地解决这个问题。另一方面,编码器是脆弱的风力涡轮机组件,特别是对于小型风力涡轮机,因为小风涡轮机的经验比它们同行评价振动大。无传感器矢量控制选择了编码器,因此风力涡轮机的可靠性有了很大提高。由于这些原因,对于小型风力涡轮机无传感器矢量控制和单相锁相环法有其独特的优势。

本文是在以下三个结构部分进一步介绍。在第二部分将介绍全功率背靠背PWM变流器的原理。然后矢量控制的小规模并网风力发电系统包括无传感器控制、矢量控制、单相锁相环PMSG,矢量控制变频器的网格边等在第三节进行描述。最后,在第四部分仿真结果,给出结论。

II、全功率背靠背PWM变换器的原则

典型的拓扑模型的直接驱动风力涡轮机PMSG被用在一些没价值的地方。

1。转换器的系统采用背靠背双脉宽调制(PWM)结构。这个发电机侧变换器控制

发电机转速以达到捕获最大的风能,电网侧逆变器控制DCbus电压的稳定性和系

统的功率因数。这种拓扑是提高性能的一个不错方法,并且控制方法是很灵活的。转换器有四象限操作功能，它可以满足发电机转速控制并提供优质的电能给电网。

III.小规模并网直驱式风力发电系统转换器的矢量控制图2显示了背靠背PWM电压转换器矢量控制框图。边缘PWM变频器通过调整边缘转换器当前的d轴和q轴来控制电磁转矩和定子无功功率(无功功率通常被设置为0)这种控制机制可以帮助PMSG在变速下运行,从而风力涡轮机可以在额定风速与最大功率点跟踪(MPPT)工作。电网侧PWM逆变器可以稳定直流母线电压,通过调整电网侧当前的d轴和q轴实现有功无功解耦控制。电网侧脉宽调制逆变器通常在单位功率因数条件下还控制着无功功率流向电网。

A 基于锁相环的无传感器控制

速度和位置控制是通过边缘变频器基于全数字锁相环的无传感器矢量控制

来实现的。锁相环是设计是用来通过最小化输出电压相位角和给定的电压相角的差异来控制d q轴电压的频率,直到输出电压相角跟踪到定电压相角。因为锁相环拥有频率闭环跟踪机制，发电机电压频率以及d轴电压和转子磁通角度可以用这一特征来测量,那么发电机转速和转子位置角也可以推断出来[2]。运用这种方法控制精度通常很良好,但是当发电机运行在非常低的速度时会出现一些问题。风能发电系统通常在高于切入风速时工作,所以这个方法可以应用于风力发电系统。

PMSG的实际转子位置被标注在在D-Q坐标系中。估计的位置θ是d-q坐标系，αβ是静止的坐标系，如图3所示。当在无传感器矢量控制系统PMSG转子位置估算的而不是测量的时,则实际的转子位置和估计的位置之间存在一个错误Δθ。同时,转子永久磁铁产生的反电动势在估计转子位置定向坐标时分解成两个d轴和q轴部分,分别表示为e sd和e sq。常规PI控制器可以实现零误差控制,即esd或者Δθ可以被调整到零值。锁相环的无传感器矢量控制原理图如图4,e sd和e sq 的数值可以从公式（1）得出

如果忽视当前的微分项(1),则可以得出：

其中u sd，u sq，i sd和i sq是发电机定子输出电压和电流的d，q轴分量；L d，L q和R s定子是电感和电阻,ω是发电机电气角速度;“∧”表示估计值。

基于数字锁相环的无传感器矢量控制框图如图5所示。反电动势(电动势)旋转坐标的估计值可以通过PMSG定子的三相电压和电流计算。估计相角差Δθ可以用来计算PI控制器的角速度。估计的相角值通过积分法获得。一般来说,使用这种方法转速会有相当大的波动。因此通过添加低通滤波器(LPF)它将达到一个更好的估计值,如图5所示。

B.PMSG矢量控制

为了研究PMSG的转矩控制，有必要建立一个数学模型。因为在D-Q坐标系q轴与d

轴相差90°,所以发电机电压方程可以表示为[8]所示:

在(3)式中各种物理量的意义同(1)。发电机电磁转矩方程可以表示为:

其中p是发电机极对数,和ψ是磁通量。

基于上述数学模型,PMSG的无传感器矢量控制程序则可建立,其控制功能块图如图6所示。

通过无传感器估计算法得出的发电机转子位置和速度可以用于矢量控制。电动机转矩的参数可以通过速度控制器获得。发电机的电压参数也可以通过电流控制器获得,然后整流器开关装置的控制信号可以通过一组PWM调制算法获取。矢量控制时必要的发电机转子位置和速度是通过无传感器算法获得的。

C.单相发电并网锁相环

图7显示了单相控制连接锁相环的框图。为了确保转换器输出电压伴随着同一阶段的输出电流,锁相环是用来实现单位功率因数控制。在同一时间转换器还提供了电流变换角度参数[5]。

在a-b和d-q之间的正交参考系转换可以被描述成三角关系,这个在(5)和(6)中已说明,旋转参考系如图8所示。

有功功率和无功功率方程可以表示为:

如果相电压和q轴重合,然后Vq = ,V d=0，Vq=/V/，有功功率和无功功率方程可以简化为:

D .电网侧逆变器的矢量控制策略

对于一个三相变换器,简单的PI补偿器设计在一个D-Q同步系统可以在基本频率下实现零稳定状态误差,但这种方法不适用于单相电源转换器,因为在一个单相功率转换器中只有一个阶段变量可用,而D-Q转换至少需要两个正交变量。

为了从原始的单相电源转换器构建额外的正交相位信息,假想的正交回路得是成熟的,见图9。假想的正交回路有完全相同的电路元件和参数,但当前的电流i b和电压e b，在真正的回路中与之相对应保持90度相位移。

从图9中看出，电压方程可以表示为：

运用公式(5)和(6)改变电压方程到同步参考系,并考虑v d=0和v q=/v/，我

们可以得到:

为了实现有功功率和无功功率解耦控制,逆变器在同步参考系输出电压可以表示为:

将(11)和(12)替换到(10)、系统方程可以被化简如下:

有功功率和无功功率可以通过i d和i d分解来控制。因此,系统控制可以通过电流反馈循环完成，如下:

图10显示了电网侧逆变器的控制框图。应该指出的是,给定的主动和被动电能应该设置所需的值的两倍,因为虚拟回路将不会对电网提供任何有功和无功功率。

IV.仿真结果

在以上理论分析基础上在Matlab / Simulink建立一个仿真模型，系统仿真块图如图11。

A.边缘转换器的仿真结果

在仿真模型中,参考速度代表了风速。在模拟开始时候(即0s),发电机转速是4 rpm，它的输入转矩是-50Nm。在0.5s时,发电机转速是17 rpm，输入转矩保持在-50 Nm的数值。在1 s,发电机速度保持在17 rpm和输入转矩是-8Nm。模拟波形分别显示如图12、图13、图14、图15。

从图12和图13可以看到,估计转子位置角和实际测量的转子位置角之间的差别在稳定状态时是非常小的,虽然在动态响应时有一些波动,但转子依然能快速运转，位置角依然稳定。

从图14和图15可以看到,在低速运行时发电机转子的估算速度和测量速度之

间有一个小小的误差。然而高速运行时,这个误差更小,可以忽略,并且瞬态响应非常短。在1s时,输入转矩增大轻微的影响发电机转子转速,瞬态响应很快消失。

边缘转换器的仿真波形证明无传感器矢量控制算法可以准确估算转子位置角,其向量控制策略可实现发电机转速控制使风力涡轮机遵循优化功率曲线,即

当风速低于额定风速进行最大功率点跟踪。

B.电网侧逆变器的仿真结果

电网侧逆变器的仿真结果分别如图16、图17和图18。从图16可以看到,当发电机输出转矩增大时,直流母线电压保持恒定。图17表明θμ很好的随着Vα变化，

图18表明iα随着vα变化。

从电网侧逆变器的仿真结果可以看出,其单相锁相环算法可以准确地跟踪电网侧电压,电网侧逆变器矢量控制策略可以稳定直流母线电压,并控制电网功率因数。

V.结论

本研究运用背靠背脉冲宽度调制(PWM)拓扑结构为直驱PMSG风力涡轮机开发了一种小的电力电子变换器。仿真结果表明：

1）边缘转换器可实现发电机转速和转矩控制使风力涡轮机遵循优化功率曲线,即当风速低于额定风速进行最大功率点跟踪。

2)无传感器锁相环(PLL)控制算法可以实现发电机矢量控制。

3)基于单相锁相环的电网侧逆变器控制算法可以稳定整流器变频器直流母线电压，并控制电网功率因数。

VI.参考文献

期刊：

[1]田德,“世界风力发电技术现状和发展趋势”，《新能源产业》已出版。

[2]窦如真,顾凌云,宁宝涛,“基于锁相环的永磁同步电动机无传感器控制”，《电机与控制应用》第32卷。53-57页，2005版。

书籍：

[3]郭青鼎,孙一标,王丽梅,《现代永磁交流伺服电机系统》。中国电力出版社,北京。

学术研讨会论文集论文(出版):

[4]S.Song, S.Kang和 N.Hahm,《可变速风能转换系统电网交-直-交变换器的实施和控制》。2003年IEEE电力电子应用会议及博览会,第1卷,154-158页。

[5]M.Ciobotaru ,R.Teodorescu和F.Blaabjerg,《基于二阶广义积分器的新单相锁相环结构》，记录于IEEE PESC 2006、韩国、第1511 - 1516页。

[6] R.Zhang, M Cardinal, P.Szczesny, M.Dame,《受单相功率转换器在D-O 旋转架控制下的电网模拟器》，电力电子专家会议,第三卷,pp.1431-1436,2002年6月。

[7]R. Esmail, L. Xu, D.K. Nichols, 《风力涡轮机应用最大功率跟踪时永磁发电机的新控制方法》,IEEE电力工程学会的一次会议上,第三卷,2090-2095页,2005年8月。

[8]杨振坤,梁回,《风能转换系统连接变频器的电网DSP控制系

统》,IEEEICEMS 2005电机和系统,第2卷,2005年,1050-1053页,2005年6月。

[9]N V Suresh Kumar Srighakollapu, Partha Sarathi Sensarma,《永磁同步发电机无传感器最大功率点跟踪控制在风力发电中的使用》，工业电子2008年,第34届IEEE会议,第二十八届电力工程研讨会,pp.2225 - 2230。

学位论文:

[10]陆成,《变速恒频风力发电系统双PWM变频器的协调控制》,研究生院硕士论文，中国科学院,北京,2004。

[11]吴申斌,《基于csc的小规模并网风力发电系统的研究》,硕士论文,合肥工业大学,合肥2009。

VII.专家传记

温春雪：2001年获得内蒙古大学理学学位的技术,,2006年武汉大学硕士学位，2009年获中国科学院电气工程研究所博士学位。2010年,他作为访问研究员加入了英国中央兰开夏大学风能工程研究小组。目前在中国北京电力电子和电机驱动工程研究中心、华北科技大学做讲师。他的研究方向包括电力电子,风力涡轮机

控制系统,风力涡轮机的转换器。

陆国杰：2006年毕业于华北电力大学，从2007年至2009年曾在北京华都特殊变压器公司负责变压器技术服务。目前,他在中国北京华北科技大学电力电子和电机驱动工程研究中心读研究生。他的研究领域是风汽轮机控制系统。该项目旨在开发小型风力发电机发电的最大功率点跟踪控制算法。

王鹏：2003年毕业于太原科技大学,2011年在华北科技大学获得硕士学位。自2008年以来,他一直在华北科技大学电工程电力电子和电机驱动工程研究中心做研究助理。在2010年,他作为访问学生加入了中央兰开夏大学风能工程研究小组。他的研究领域是永磁同步发电机控制和风能工程。

李正熙：北京科技大学博士学位。电力电子学和电机驱动首席教授，电力电子和电机驱动的权威

刘雄伟： 1965年出生于中国湘潭，1985年获得长沙国防科技大学工程学荣誉学士学位，1988年和1991年分别获得哈工大硕士和博士学位。他的工作经历包括西北工业大学、华侨大学、利兹大学、赫特福德大学和中央兰开夏大学。他的研究兴趣包括风能工程、可再生能源技术,智能电网和微型智能电网以及智能能源管理系统。获得过亚历山大?冯?洪堡研究奖学金。良好的德语基础,使他于1993年获得去德国波鸿市鲁尔大学做为其18个月的研究员的机会。1999年,他被授予霍英东教育拨款委员会铜奖，并且由于在做华侨大学教授时对高等教育的的突出获得了贡献泉州市长颁发的劳动模范奖章。2000年经中国的学术研究奖学金委员会允许去柏林工业大学作为高级研究人员进行为期6个月的研究。目前担任能量和能源管理学教授的和英国中央兰开夏大学风能工程研究小组组长。