永磁同步電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

永磁同步電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要：風(fēng)能作為可再生、潔凈無污染、取之不盡用之不竭的能源，成為世界可再生能源發(fā)展的重要方向。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于機(jī)械損耗小、運(yùn)行效率高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)而成為研究的重點(diǎn)機(jī)型。本文主要研究兩方面容，一是直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模擬仿真,二是最大功率跟蹤方法(MPPT)o本文分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤控制的基本原理和方法，基于他們的數(shù)學(xué)模型在MATLAB/SIMULINK中分別搭建了包括風(fēng)力機(jī)氣動模型、dq坐標(biāo)系下永磁發(fā)電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型等，在此基礎(chǔ)上建立了直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型，并采用最佳葉尖速比控制法，對風(fēng)力機(jī)在額走風(fēng)速以下進(jìn)行了仿真，通過仿真驗(yàn)證了該方法的控制效果。關(guān)鍵詞：直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電；最大功率跟蹤；風(fēng)力機(jī)模擬；仿真；隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對能源的需求日益增加，世界能源消耗戢的持續(xù)增加，使全球圍的能源危機(jī)形勢愈發(fā)明顯，開發(fā)可再生能源成為實(shí)現(xiàn)世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措。目前風(fēng)力發(fā)電不斷向大型化發(fā)展。但是隨著風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，一系列技術(shù)問題逐漸顯現(xiàn)。如何降低成本，提高技術(shù)優(yōu)勢，以提高風(fēng)電設(shè)備的穩(wěn)左性與高效性成為擺在研究人員面前的一道難題。齒輪箱就是亟待解決的問題之一。目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主流機(jī)型是功率容量為1.5MW的雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。主要部件有風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、調(diào)向機(jī)構(gòu)、制動機(jī)構(gòu)、控制單元、塔架等。由于風(fēng)能的特殊性，風(fēng)力機(jī)一般都低速旋轉(zhuǎn)，如大型風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速低至每分鐘幾十轉(zhuǎn)甚至十幾轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)屬于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，所以兩者之間往往通過升速齒輪箱連接，使風(fēng)力機(jī)軸上的低速旋轉(zhuǎn)輸入轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)輸出，以便與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相匹配。但是由于機(jī)組運(yùn)行過程中齒輪箱也一直處于高速旋轉(zhuǎn)，增加了系統(tǒng)損耗，降低了能量利用率。還有由于風(fēng)電機(jī)組往往安裝在環(huán)境條件惡劣的偏遠(yuǎn)山區(qū)、孤島等野外的高空，導(dǎo)致升速齒輪箱的維護(hù)保養(yǎng)工作量大。而且隨著單機(jī)容量的不斷增大，使齒輪箱的造價也更加昂貴，在MW級風(fēng)電機(jī)組中更容易造成過載或過早損壞。因此人們開始研究省去齒輪箱的直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)。省去齒輪箱而臨最大的困難就是發(fā)電機(jī)，由于一般發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度高，必須采用低速的發(fā)電機(jī)，所以研究人員將永磁同步電機(jī)用于風(fēng)

力發(fā)電。永磁電機(jī)采用永磁體結(jié)構(gòu)，無需外部勵磁，省去了電刷和滑環(huán)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性和發(fā)電效率。而且永磁結(jié)構(gòu)比電勵磁結(jié)構(gòu)更適合做成多極低速結(jié)構(gòu)，極矩小、電機(jī)體積和質(zhì)量也相對較小，所以直驅(qū)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)成為現(xiàn)今研究重點(diǎn)。1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1」所示。主要的部件包括風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、測量與控制系統(tǒng)、功率變換器等。風(fēng)輪是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的部件，風(fēng)以一立的速度和功角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，進(jìn)而直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過電力電子變換器輸送到電網(wǎng)。本文介紹風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)。永磁同步電機(jī)岡速控制系統(tǒng)圖1.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖風(fēng)力機(jī)1.1風(fēng)力機(jī)永磁同步電機(jī)岡速控制系統(tǒng)圖1.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖風(fēng)力機(jī)風(fēng)力機(jī)是風(fēng)電機(jī)組的最主要部件之一，是由槳葉與輪軸組成，槳葉具有良好的空氣動力學(xué)外形，在氣流作用下能產(chǎn)生空氣動力使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。所以它不僅決泄了整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有效功率的輸出，還直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)立運(yùn)行。在理論上，最好的風(fēng)輪也只能將約60%的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。在目前風(fēng)力機(jī)主要是以水平軸、上風(fēng)向、三葉片的機(jī)組為主。其中又有泄槳距和變槳距風(fēng)輪，立轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)。本文主要研究的是采用泄槳距，變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。1.2發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)承擔(dān)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換任務(wù)。它不僅直接影響這個重要轉(zhuǎn)換過程的性能、效率和供電質(zhì)量，而且也影響到前一個轉(zhuǎn)換過程的運(yùn)行方式、效率和裝置結(jié)構(gòu)。因此，研制和選用適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換用的運(yùn)行可靠、效率高、控制及供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電工作的一個重要組成部分。永磁同步發(fā)電機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)：由于省去了勵磁繞組和容易出問題的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)較為簡單，加工和裝配費(fèi)用減少，運(yùn)行更為可靠。采用稀上永磁體后可以增大氣隙磁密，并把電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到最佳值，從而顯著縮小電機(jī)體積，提高功率質(zhì)量比：由于省去了勵磁損耗，電機(jī)效率得以提高：處于直軸磁路中的永磁體的磁導(dǎo)率很小，直軸電樞反應(yīng)電抗較電勵磁同步發(fā)電機(jī)小得多，因而固有電壓調(diào)整率比電勵磁同步發(fā)電機(jī)小。2風(fēng)力機(jī)的理論基礎(chǔ)2.1風(fēng)能利用系數(shù)心o.593這就是貝茲理論的極限值，它說明風(fēng)力機(jī)從自然風(fēng)中獲取的能量是有限的，英功率損失部分可以解釋為在尾流中的旋轉(zhuǎn)動能。能量的轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致功率的下降，它隨所采用的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的型式而異。目前的技術(shù)水平下，風(fēng)力機(jī)能達(dá)到的風(fēng)能利用系數(shù)大都在0.4?0.5之間。2.2葉尖速比葉尖速比久是為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)而引入的，用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來表示。2c°rC八一一（2）英中血為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速：R為風(fēng)輪的半徑。2.3風(fēng)力機(jī)特性風(fēng)力機(jī)把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能是個復(fù)雜的空氣動力學(xué)過程，要精確地對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行建模，必須用基于空氣動力學(xué)中槳葉的基本理論。但是，如果用槳葉的基本理論建模，將不可避免要解決風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪幾何學(xué)問題、復(fù)雜冗長的計(jì)算問題等困難，此外，還要同時處理一系列的風(fēng)速信號，而不是只有一個風(fēng)速信號。為了避免這些問題，人們設(shè)汁了一種簡易的模型來描述風(fēng)力機(jī)，它反映了風(fēng)速與從風(fēng)中獲得的能量的關(guān)系，氣動方程為：P=”Cp=*T&p

116?C〃a0)116?C〃a0)=O-22(---0-40-5)丘人+0.080S+1式中P為通過風(fēng)輪掃掠而積的風(fēng)的功率：°為空氣密度，一般為1.25：/?為風(fēng)輪半徑:〃為實(shí)際風(fēng)速：Cp為風(fēng)力機(jī)的實(shí)際功率系數(shù)；＞1為葉尖速比。3最大風(fēng)能跟蹤最大風(fēng)能跟蹤(MPPT)是風(fēng)力發(fā)電的核心問題，但風(fēng)能的跟蹤的特性是由風(fēng)力機(jī)決龍的。因此無論是那種風(fēng)力機(jī)，其風(fēng)能跟蹤的思想是相通的。目前常用的最大風(fēng)能跟蹤控制主要有最佳葉尖速比控制法、功率反饋法和爬山搜索法。本文采用最佳葉尖方法進(jìn)行控制。最佳葉尖速比法的基本思想是當(dāng)風(fēng)速變化時，通過測量風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)固有特性計(jì)算出此時的最佳轉(zhuǎn)速，并適時調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速始終運(yùn)行于該最佳轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。用風(fēng)速計(jì)直接測出風(fēng)速信號，由最佳葉尖速比和式(2)求得對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速將它與測得的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行比較，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)速誤差信號調(diào)肖發(fā)電機(jī)的電功率輸出，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速而變化，即始終運(yùn)行在最佳葉尖速比的情況下。轉(zhuǎn)速測屋風(fēng)速信號圖3.1最佳葉尖速比控制法原理圖轉(zhuǎn)速測屋風(fēng)速信號圖3.1最佳葉尖速比控制法原理圖功率輸出4永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模4.1風(fēng)力機(jī)的建模直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)由于省去了齒輪箱，其運(yùn)動方程為［5］：=T-T=T-Tdt'm式中人為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量：為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速；7；為風(fēng)力機(jī)的氣動轉(zhuǎn)矩：7；為傳動裝卷傳給發(fā)電的扭矩。由式(3)得風(fēng)力機(jī)的氣動轉(zhuǎn)矩為：r=—(6)SIMULINK中建立風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速■轉(zhuǎn)矩模型，如圖4.1SIMULINK中建立風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速■轉(zhuǎn)矩模型，如圖4.1所示:Product!圖4.1風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速轉(zhuǎn)矩模型4.2發(fā)電機(jī)的建模永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型一般在如坐標(biāo)系下建立，勿坐標(biāo)系是包括永磁同步電機(jī)在的所有交流電機(jī)最常用的坐標(biāo)系。電機(jī)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，是由于左子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈相互吸引作用而產(chǎn)生的。電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小、方向與左子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值、相位有關(guān)。為了便于分析，將如坐標(biāo)系左位于轉(zhuǎn)子磁鏈之上，此時在d軸方向?yàn)榇沛湻较?，g軸方向超前/軸90。電角度，這樣就形成了一個同步旋轉(zhuǎn)的正交坐標(biāo)系。電機(jī)所有交流變量都可以在這個坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)化為直流量并投影于d、g兩個軸上，對兩個軸上的分量分別控制，就控制了這個變量。轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場由永磁體產(chǎn)生，是不可控制量，因此只需控制左子磁場，就可以控制電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。

立子磁場中可變的部分是左子電流產(chǎn)生的電流勵磁磁場，在dq坐標(biāo)系對淀子電流的解耦控制，就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，這也是矢呈控制的實(shí)現(xiàn)方法。本文在勿同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立的永磁同步發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型為:di.dLq.1如二_他一如他+存)+扎dtdi.d式中：id2;分別為發(fā)電機(jī)的d軸和g軸電流；與和4分別為發(fā)電機(jī)的d軸和g軸電感;心為定子電阻：皺為電角頻率，q二八為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對數(shù)；入為永磁體的磁鏈：召和久分別為“宕的/軸和g軸分量。左義q軸的反電勢見二屬人，d軸的反電勢己內(nèi)=0，假設(shè)發(fā)電機(jī)d軸和g軸電感相等，即〈=匕q=L，所以，式(7)可寫為：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"did?1」=-—+6WZ+llAdtLdeq1汗A叫_&.,.1~、1=Iq—A))a[dtLqLLq_由此在MATLAB/SIMULINK中建立發(fā)電機(jī)模型為如圖4.2所示:圖4.2圖4.2永磁發(fā)電機(jī)模型43發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方程為:其中為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，7；為發(fā)電機(jī)反力矩.乞?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由于采用永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，沒有使用增速齒輪箱，所以風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相等，即有：TOC\o"1-5"\h\zCO=COK=CO（10）直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：7>1.5州叫-〈）僦+&（11）簡化為：吠入（⑵由此可得永磁同步發(fā)電機(jī)的傳動系統(tǒng)，電磁轉(zhuǎn)矩模型如圖4.3所示：Frc-duct1圖4.3發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型4.4控制系統(tǒng)模型永磁發(fā)電機(jī)由永磁體勵磁，不需要提供勵磁電流，左子電流只產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此可以采用dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量控制法產(chǎn)生相應(yīng)的電壓矢量-和迅，從而控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。為確左矢量方向，因d軸分量與無功功率相關(guān)，采用零d軸電流控制方法，設(shè)置d軸電流參考值為舄「氣從而在最小電流的情況下得到最大的電磁轉(zhuǎn)矩。因g軸分量與轉(zhuǎn)矩相關(guān)，可以通過控制q軸的速度控制q軸電流參考值打上“

由式(4.4)可知，d、g軸之間存在著耦合項(xiàng)0/d和3兒即-不僅依賴于山，而且也與口有關(guān)系，這會給控制帶來很大問題*通過加入前饋補(bǔ)償?shù)姆椒梢韵詈享?xiàng)。因此龍義兩個新的輸入量分別為叫二_億+—(13)<5=叫4+3入+1、(13)通過加入前饋補(bǔ)償，消除了才、g軸之間的耦合項(xiàng)?？刂葡到y(tǒng)采用的是轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流環(huán)的雙閉壞結(jié)構(gòu)，其中外環(huán)速度參考值①言丁由最大功率點(diǎn)跟蹤算法得出，與實(shí)際測得的轉(zhuǎn)速相比較，通過PI控制器得到g軸電流參考值±;，d軸電流參考值f處言丁設(shè)置為0。由永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可以看出，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與有功電流成正比，可以通過調(diào)節(jié)有功電流山來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，從而改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，跟隨設(shè)左的最優(yōu)轉(zhuǎn)速口工?？刂葡到y(tǒng)模型如圖4.4所示:圖4.4圖4.4控制系統(tǒng)模型其中：？1子模塊如圖4.5所示:圖4.5PI子模塊模型4.5最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊由最佳葉尖速比訃算公式可得最佳轉(zhuǎn)速訃算模塊如圖4.6所示:圖4.6最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊4.6系統(tǒng)模型由各個子系統(tǒng)搭建起來的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模型如圖4.7所示：模型中用到的風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)參數(shù)如下：風(fēng)力機(jī)部分：風(fēng)輪半徑斤為35m；風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量幾為350000kg.m2..空氣密度Q為1.225kg/:發(fā)電機(jī)部分：額左功率：1500KW：額妃轉(zhuǎn)速為20rpm：電機(jī)極對數(shù)為30：轉(zhuǎn)動慣量：32000仗〃定子d、g軸電感Zq=0.029〃；定子電阻必為0.037Qo圖4.7直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型5系統(tǒng)仿真風(fēng)速輸入為階躍風(fēng)速，給泄值為91B/S,在50s時上升為11.35m/s.經(jīng)過試驗(yàn)，選取轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制器參數(shù)為Kp=10,Ki=0.01；電流環(huán)PI控制器參數(shù)為Kp=5,Ki=0.05o(b)葉尖速比兄(c)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速(d)發(fā)電機(jī)輸出功率圖真結(jié)((b)葉尖速比兄(c)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速(d)發(fā)電機(jī)輸出功率圖真結(jié)(c)風(fēng)能利用系數(shù)Cp升。并且在風(fēng)速變化過程中，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之變化，使得葉尖速比＞1始終保持在最佳葉尖速比，而風(fēng)能利用系數(shù)也保持在最大，得到了最大限度地捕獲風(fēng)能的效果，實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤控制。參考文獻(xiàn)[1]方軍風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其發(fā)展方向口]電氣時代，2005,11：22-24.⑵王曉剛.小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真[D].:工業(yè)大學(xué)，2009.伊明，庚銀，建成等.直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模及其控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006,2：102-105.吳迪，建文.變速直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2006,(6)：51-55.湯凌峰，梅柏杉.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的風(fēng)力機(jī)模擬[J].電力電子技術(shù)，2008,42(9).YukinoriInoue,ShigeoMorimoto,MasayukiSanada.ControlMethodforDirectTorqueControlledPMSGinWindPowerGenerationSystemfC].2009IEEEMeisamShirazi,AbbasHooshmand.Viki.AComparativeStudyofMaximumPowerExtractionStrategiesinPMSGWindTurbineSystem[Cl.2009IEEEElectricalPower&EnergyConference,Tehran.2009.家權(quán)，蔡娟妮，剛峰等.直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)最大功率捕獲技術(shù)的仿真分析[J]可再生能源.2009,27(1).王波，宋金梅.基于最佳葉尖速比的最大風(fēng)能跟蹤在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[C].首屆電測儀表學(xué)術(shù)發(fā)展方向研討會,，2009