直驱永磁同步风力发电机控制策略的研究

最佳功率 Ｐｏｕｔ只与风力机的机械转速有关。
Ｐｏｕｔ＝ｋω３
（２）
其 中 ，ｋ＝ １２ρπＲ２（λＲｏｕｔ）３ Ｃｐω３ 。
实现最大风能追踪，就必须在风速变化的同时
控制风力机运行在最佳叶尖速比λｏｕｔ下。 如 图 １ 所 示 最佳功率 Ｐｏｕｔ曲线。
图 ２ 变 换 器 模 型
变换器主电路中的三个桥臂的开关状态可以用开 关函数Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ 来表示，当相应桥臂的上管导通时， 开关函数值取１，反之则为０。三个桥臂的开关组合可 以得到８个电压空间矢量，其中，有６个有效电压空间 矢量“１００”、“１１０”、“０１０”、“０１１”、“００１”、“１０１”和 ２ 个零矢量“０００”、“１１１”。由于Ｓａ、Ｓｂ 和Ｓｃ 各有两种状 态：０或１， 因 此 整 个 变 换 器 可 以 得 到 ８ 种 开 关 状 态。 它们在二相旋转坐标系中的空间位置如图３所示。
鞠天广等：直驱永磁同步风力发电机控制策略的研究
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在不同扇区 Ｔ１、Ｔ２ 的时间按表１取值，零电压 矢量作用时间为 Ｔ０＝Ｔ－Ｔ１－Ｔ２。 同 时 还 要 进 行 饱 和判断，若 Ｔ１＋Ｔ２＞Ｔ 时， 对 时 间 Ｔ１、Ｔ２ 进 行 时 间换算：Ｔ１＝Ｔ×Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）和 Ｔ２ ＝Ｔ×Ｔ２／（Ｔ１ ＋Ｔ２）。
２．Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｏｈｈｏｔ ０１００２０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐａｒｅ ｗｉｔｈ ＡＣ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｄｏｕｂｌｙ ｆｅｄ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｏｗｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａ－ ｂｉｌｉｔｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｎｅｗ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｂａｓｅ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ １．５ ＭＷ ＰＭＳＧ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ；Ｂｅｌｏｗ ｔｈｅ ｒａｔｅｄ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＰＭＳＧ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｔｉｐ ｓｐｅｅｄ ｒａｔｉｏ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，Ｕｓｉｎｇ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｍａｘｉｍｕｍ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ；ＶＳＣＦ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｎｅｔｓ ｓｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗａｓ ａｌｓｏ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ；ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ；ＰＭＳＧ；ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ
０； 那 么 扇 区 号 的 判 断 公 式 为 ：Ｐ＝Ａ＋２Ｂ＋４Ｃ。
（２）计算 扇 区 的 基 本 电 压 矢 量 和 零 矢 量 作 用 时
间 Ｔｘ、Ｔｙ 和Ｔ０，令：
烄Ｘ＝槡３ ＴＶβ／Ｖｄｃ
Ｙ＝ 烅
（槡２３Ｖα＋
３２Ｖβ）Ｔ／Ｖｄｃ
（４）
Ｚ＝ 烆
（槡２３Ｖβ－
３２Ｖα）Ｔ／Ｖｄｃ
Байду номын сангаас 期
Ｔ，幅值为 Ｔ／２ 的 三 角 波 进 行 比 较， 比 较 结 果 改 变
的时刻就是电压空间矢量切换的时刻。以扇区３为
例，在一个周期内的开关时刻的波形如图４所示。
烄ＴＬ＝Ｔ０／４ 烅ＴＭ ＝ＴＬ＋ＴＸ／２
烆ＴＨ ＝ＴＭ ＋ＴＹ／２
（５）
表 ２ 比 较 器 赋 值
比较器
扇区 １ ２ ３ ４ ５ ６
任 永 峰 （１９７１）， 男 ， 博 士 ， 教 授 ， 研 究 方 向 为 风 力 发 电 ， 电 能 质 量 ， 光 伏 发 电 。 刘 峰 （１９８５）， 男 ， 硕 士 研 究 生 ， 研 究 方 向 为 风 力 发 电 。
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４５ 卷
其速度控制算法较为复杂。 本文通 过 ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ 仿 真 工 具 建 立 了 完
根据贝茨理论风轮机在风中获得的最大功率为：
Ｐｗ ＝１２Ｃ（β，λ）ρπＲ２ｖ３
（１）
式中，ρ为空气密 度；ｖ 为 风 速；Ｃ（β，λ）为 风 力 机 的风能利用系数，在桨距角β 一定的情况下，是叶 尖速比λ 的函数，λ＝ωＲ／ｖ；ω 为风力机的机械角速
度，Ｒ 为风轮半径。
本文只研究低于额定风速下控制风力发电机实现
随着发电机的容量要求越来越大，ＰＭＳＧ 在风力 发电中发挥了重要作用，该系统采用与风力机直接相 连的多极低速无刷永磁同步发电机，利用全容量变频
器实现并网发电，省去了双馈风力发电系统中的齿轮 箱，减少了发电机的维护工作，并且降低了噪声，使 直驱永磁风力发电机从众多变速恒频风力发电系统中 脱 颖 而 出 ， 具 有 很 好 的 发 展 前 景［４－５］。 文 献 ［６］采 用 不 可控整流和可控逆变作为并网电路，实现了直驱永磁 风力发电机无速度传感器控制和最大风能跟踪控制， 具有系统成本较低和控制算法简单等优点，但其缺点 是不能直接调节发电机转矩，动态响应稍慢，发电系 统不能灵活的实现自启动或制动等功能；而且不可控 整流会增大发电机的定子谐波电流，加大电机损耗和 转矩脉动。文献［７］采 用 双 ＰＷＭ 变 换 器 作 为 并 网 电 路，通过对发电机的最优速度控制实现风能跟踪，但
Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
ＪＵ Ｔｉａｎｇｕａｎｇ１，ＲＥＮ Ｙｏｎｇｆｅｎｇ１，ＬＩＵ Ｆｅｎｇ１，ＧＵＡＮ Ｙｏｎｇ２，ＣＯＮＧ Ｙｕ２ （１．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｏｈｈｏｔ ０１００５１，Ｃｈｉｎａ；
整的 ＰＭＳＧ 仿真模型， 采 用 空 间 矢 量 调 制 方 法 实 现 了风力发电机最大风能跟踪的控制；网侧并网实现 了变速恒频有功功率和无功功率的解耦控制。
１ 最大风能捕获控制原理
不够的，需更多的电压空间矢量。办法是通过三相 变换器的八个基本电压空间矢量的线性组合，产生 新的电压空间矢量。希望得到一组等幅而相位均匀 间隔的电压空间矢量组，连接相邻电压空间适量顶 点，构成一个正多边形。正多边形的边数愈多，愈 逼近于圆。图２为变换器模型。
表 １ Ｔ１、Ｔ２ 赋 值 表
扇区号 １ ２ ３ ４ ５ ６
Ｔ１
Ｚ Ｙ －Ｚ －Ｘ Ｘ －Ｙ
Ｔ２
Ｙ －Ｘ Ｘ Ｚ －Ｙ －Ｚ
（３）比 较 时 间 分 配 按 式 （５）， 在 不 同 扇 区， 按 表
２将 ＴＬ、ＴＭ 和 ＴＨ 分 别 赋 给 ＣＭＰＲ１、ＣＭＰＲ２ 和
ＣＭＰＲ３。将 ＣＭＰＲ１、ＣＭＰＲ２和 ＣＭＰＲ３ 与 周 期 为
收稿日期：２０１１ １２ ０６ 基金项目：２０１１年教育部新世纪优秀人才支持计划（ＮＣＥＴ－１１－１０１８）；教育部科学技术研究重点项目（２１００３７）； 内 蒙 古 自 然
科 学 基 金 （２０１１ＢＳ０９０３）； 内 蒙 古 人 才 开 发 基 金 。 作 者 简 介 ： 鞠 天 广 （１９８４）， 男 ， 硕 士 研 究 生 ， 研 究 方 向 为 风 力 发 电 。
两电平变换器有八个电压空间 矢量（其 中有 两个 是零矢量），因此其输出电压空间矢量的 运动 轨 迹是 正六边 形。 而 实 现 １２ 边 形、１８ 边 形、２４ 边 形、６ｎ 边形的电压空间矢量轨迹仅有八个电压空间矢量是
ＳＶＰＷＭ 实 现 首 先 要 确 定 指 令 电 压 矢 量 所 在 的 扇区，其次确定基本电压矢量的作用时间。
最大 风能捕 获， 所 以 桨 距 角β＝０。 当 桨 距 角 一 定 时 ， 风力机运行 于 最 佳 叶 尖 速 比λｏｕｔ时，就 可 以 获 得 最 大 风能利用系 数 Ｃｐ，此 时 风 力 机 的 转 换 效 率 最 高。因 此，对于某一特定风速，风力机应在一个特定的转速 下 运 行 才 能 实 现 对 风 能 的 最 大 捕 获［８］。 这 时 风 力 机 的
第４５卷 第８期 ２０１２年 ８月
ＭＩＣＲＯＭＯＴＯＲＳ
Ｖｏｌ．４５．Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１２
直驱永磁同步风力发电机控制策略的研究
鞠 天 广１， 任 永 峰１， 刘 峰１， 关 勇２， 丛 雨２
（１．内蒙古工业大学 电力学院，呼和浩特 ０１００５１；２．内蒙古电力科学研究院 新能源所，呼和浩特 ０１００２０）
摘 要：与双馈交流励磁风力发电系统相比，直驱永磁同步风力发电系统具有结构简单、发电效率及运行可靠性高 等优点。本文利用电力系统仿真工具 ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ 为基础，建 立 了 １．５ ＭＷ 直 驱 永 磁 同 步 风 力 发 电 系 统 的 仿 真 模型；在低于额定风速下，研究了最佳叶尖速比控制策略下直驱永磁同步风力发电系统的特性，采用空间矢量调制 方法实现了风力发电机最大风能跟踪的控制；网侧变换器并网实现了变速恒频和有功功率与无功功率的解耦控制； 最后对仿真结果进行分析，验证了控制策略的正确性。 关 键 词 ：ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ； 直 驱 永 磁 同 步 发 电 机 ； 风 力 发 电 ； 控 制 策 略 中 图 分 类 号 ：ＴＭ３４１；ＴＭ３５１；ＴＭ３１５ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文章编号：１００１－６８４８（２０１２）０８－００３７－０５