1引言

目前，雖然在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仍占主流地位，但是直驅(qū)型發(fā)電機(jī)組憑借其固有的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)開(kāi)始越來(lái)越受到關(guān)注［1］。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)多極低速永磁同步發(fā)電機(jī)（pmsg）發(fā)電，然后通過(guò)功率變換電路將電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng)，省去了傳統(tǒng)雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中故障率較高的齒輪箱這一部件，系統(tǒng)效率大為提高，有效地抑制了噪聲，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，因而得到了市場(chǎng)青睞。

2直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

低壓系統(tǒng)中全功率變流器的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)形式如圖1。

對(duì)于主動(dòng)整流拓?fù)涠裕嚯妷盒湍孀兤魅〈瞬豢卣骱蜕龎簲夭▎卧?，控制發(fā)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用雙pwm（pulsewidthmodulation）全功率變流器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的高性能控制，也避免了不控整流和升壓斬波兩級(jí)結(jié)構(gòu)給系統(tǒng)增加的復(fù)雜性，減少了發(fā)電機(jī)的銅耗和鐵耗，并可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)為1，具有較好的發(fā)展前景。鑒于電機(jī)側(cè)變流器與電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略的側(cè)重點(diǎn)各有不同，本文提出了電機(jī)側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器分開(kāi)控制的控制方法（系統(tǒng)控制框圖如圖2所示），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)它的有效控制，從而產(chǎn)生高性能的動(dòng)態(tài)特性。

3電機(jī)側(cè)變流器控制策略

本文通過(guò)控制發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速能跟從不斷變化的風(fēng)速，從風(fēng)中獲取更多的能量：當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的目的是保證機(jī)組運(yùn)行在最大風(fēng)功率追蹤狀態(tài)下；當(dāng)實(shí)際風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度、發(fā)電機(jī)容量和變頻器容量等限制，必須降低風(fēng)輪捕獲的能量，使功率保持在額定值附近，此時(shí)槳距角控制需要起作用，以保證機(jī)組保持在額定功率附近。

3.1額定風(fēng)速以下風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤算法（mppt）

風(fēng)機(jī)輸出的功率大小會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化。對(duì)任意一個(gè)風(fēng)速，都有一個(gè)最優(yōu)轉(zhuǎn)速使得功率最大。因此，風(fēng)機(jī)控制的目標(biāo)是要控制轉(zhuǎn)速使風(fēng)機(jī)始終運(yùn)行在輸出功率最大點(diǎn)。當(dāng)槳距角一定時(shí)，存在一個(gè)最優(yōu)的葉尖速比λ使得風(fēng)能利用系數(shù)cp最大，也就是使輸出功率最大。根據(jù)公式，要實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大功率跟蹤，則必須根據(jù)風(fēng)速來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小，從而維持最優(yōu)葉尖速比。

永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩取決于電動(dòng)機(jī)的定子電流，對(duì)于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用永磁同步發(fā)電機(jī)，沒(méi)有增速機(jī)構(gòu)，因此風(fēng)力機(jī)在各種風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速就對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，即ω=ωg，（ω是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，ωg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速），因此要使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)刻追隨風(fēng)速保持為該風(fēng)速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，就是使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速并保持某風(fēng)速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方式需要先檢測(cè)風(fēng)速信號(hào)，再通過(guò)風(fēng)速—最優(yōu)轉(zhuǎn)速的關(guān)系自尋優(yōu)找到最優(yōu)轉(zhuǎn)速，將最優(yōu)轉(zhuǎn)速作為參考轉(zhuǎn)速輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，通過(guò)速度閉環(huán)系統(tǒng)使發(fā)電機(jī)達(dá)到最優(yōu)工作點(diǎn)。由于發(fā)電機(jī)的速度和電磁轉(zhuǎn)矩有著直接的關(guān)系，因此可將力矩環(huán)節(jié)作為速度環(huán)節(jié)的內(nèi)環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于永磁電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁電流，定子電流只產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，永磁電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩te=1.5pψfiq只與q軸電流相關(guān)，而與d軸電流無(wú)關(guān)，所以力矩環(huán)節(jié)的控制可以轉(zhuǎn)化為電流環(huán)節(jié)的控制。于是，只需通過(guò)控制q軸電流即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的控制。速度控制方式是以電流控制為內(nèi)環(huán)，速度控制為外環(huán)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的主要作用是根據(jù)實(shí)際風(fēng)速的變化，調(diào)節(jié)輸出電壓信號(hào)ug和電頻率fe。根據(jù)永磁電機(jī)的矢量控制原理，通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流矢量的相位和幅值進(jìn)行控制即可達(dá)到調(diào)速的目的。從永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可以看出，當(dāng)永磁體的勵(lì)磁磁鏈和直交軸電感確定以后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流的空間矢量ig，而ig的大小和相位又取決于id和iq，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)電流的控制就可以控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。一定的轉(zhuǎn)速和一定的轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于一定的id和iq，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)電流的控制，使實(shí)際id和iq跟蹤指令值i*d和i*q，便實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)和速度的控制。

4電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

一般電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)需要交流電壓傳感器、交流電流傳感器、直流電壓傳感器來(lái)檢測(cè)控制量和起保護(hù)作用，增加了系統(tǒng)成本，使得整流裝置體積龐大，同時(shí)傳感器信號(hào)丟失和噪聲的干擾都有可能使系統(tǒng)性能降低。為此研究省略傳感器控制策略很有必要。本文在傳統(tǒng)svpwm方法的基礎(chǔ)上采用虛擬磁鏈來(lái)計(jì)算角度，無(wú)需對(duì)交流電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，省去了交流電壓傳感器，降低了系統(tǒng)成本，減小了裝置體積，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。而且對(duì)于電網(wǎng)干擾有較強(qiáng)的抑制作用，電網(wǎng)輸入電流的畸變較小，系統(tǒng)具有更好的動(dòng)、靜態(tài)控制特性。

4.1虛擬磁鏈的概念

虛擬磁鏈的概念由虛擬電機(jī)引出，可將電網(wǎng)側(cè)電源（圖3中虛線部分）看作一個(gè)虛擬的交流“電機(jī)”，其中的電阻與電感可分別視為虛擬電機(jī)定子電阻和定子漏感。

先設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡，同時(shí)忽略進(jìn)線電抗器和線路電阻r。此時(shí)αβ坐標(biāo)系下的三相vsr的電壓方程為：

由式（3）可以看出在估計(jì)磁鏈時(shí)用到了積分環(huán)節(jié)。積分初值的問(wèn)題會(huì)造成觀測(cè)磁鏈的偏差。本文用兩個(gè)一階低通濾波器代替積分環(huán)節(jié)，消除了偏移，得到的虛擬磁鏈觀測(cè)器如圖4。

4.3瞬時(shí)功率的估計(jì)

用測(cè)得的線電流值和估計(jì)的磁鏈值來(lái)估算瞬時(shí)功率。在復(fù)數(shù)領(lǐng)域，瞬時(shí)功率可按下式計(jì)算：

p=re（ui*l）

q=im（uli*l）

i*l是il的共軛復(fù)數(shù)。

瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率可以表示為：

p=w（ψlαilβ-ψlβilα）

p=w（ψlαilα-ψlβilβ）

4.4引入虛擬磁鏈的svm-dpc控制框圖

圖5是引入虛擬磁鏈的svm-dpc控制框圖。通過(guò)測(cè)量得到的電流信號(hào)和直流側(cè)電壓信號(hào)即可估算瞬時(shí)功率和磁鏈位置角。系統(tǒng)以直流輸出電壓為外環(huán)控制，輸出電壓與電壓參考值的差值經(jīng)由pi調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到參考電流值。將其與輸出電壓一同送入乘法器即可得到有功功率的參考值。同時(shí)，將無(wú)功功率參考值設(shè)為0，以保證整流器單位功率因數(shù)運(yùn)行。內(nèi)環(huán)則控制瞬時(shí)有功和無(wú)功功率，瞬時(shí)功率的計(jì)算值與參考值的比較偏差經(jīng)pi控制器輸出后，轉(zhuǎn)化到α-β坐標(biāo)系，將ua和uβ直接送入pwm調(diào)制模塊來(lái)得到開(kāi)關(guān)信號(hào)。

5仿真分析

為驗(yàn)證上述控制方法，本文利用matlab/simulink軟件搭建了基于直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)電機(jī)側(cè)以及電網(wǎng)側(cè)仿真模型，分別如圖6和圖7所示，主要仿真參數(shù)見(jiàn)附表所列，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

永磁同步發(fā)電機(jī)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速n=750rad/min，rs=1.64ω；ld=0.01547h；lq=0.0258h；ψf=0.1848wb；pn=2；te=9.55n·m。

圖8為風(fēng)速在13m/s到14m/s階躍變化時(shí)風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、葉尖速比和風(fēng)能利用系數(shù)波形。隨著風(fēng)速的變化，d軸電流保持為零，q軸電流隨之調(diào)節(jié)，葉尖速比保持最優(yōu)λopt，風(fēng)能利用系數(shù)維持最大值。仿真結(jié)果證明了控制的效果，體現(xiàn)了變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)較恒速風(fēng)電系統(tǒng)捕捉能量多且工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，驗(yàn)證了發(fā)電機(jī)側(cè)的控制算法的可行性。實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能的最大功率跟蹤，控制策略的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能得到驗(yàn)證。

圖9為采用虛擬磁鏈?zhǔn)噶靠刂葡到y(tǒng)交流側(cè)a相電壓電流、直流電壓、瞬時(shí)有功、瞬時(shí)無(wú)功的波形。仿真結(jié)果說(shuō)明在無(wú)功給定q*=0時(shí)，交流側(cè)電流波形接近正弦，電壓電流同相，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流運(yùn)行。有功、無(wú)功功率具有較好的穩(wěn)態(tài)特性，p的平均值穩(wěn)定在給定值p*，q的平均值穩(wěn)定在給定值0，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較好的控制性能。

6結(jié)束語(yǔ)

本文采用雙pwm變流器作為直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)電路，提出了一種電機(jī)側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器分開(kāi)控制的控制策略。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出控制策略的正確性：電機(jī)側(cè)在額定風(fēng)速以下時(shí)可以很好的通過(guò)追蹤最佳葉尖速比來(lái)獲取最大風(fēng)能，并穩(wěn)定直流側(cè)電壓；電網(wǎng)側(cè)可以保持網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)運(yùn)行，并且省去了交流電壓傳感器，擁有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)各司其職，使得控制方法簡(jiǎn)單、有效。