摘 要： 說明了直驅式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成和原理,，分析了永磁風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的控制策略,；設計了發(fā)電系統(tǒng)網側變流器基于電網電壓矢量定向、機側變流器基于發(fā)電機轉子磁鏈定向的背靠背雙PWM協(xié)調控制結構,。最后通過仿真驗證了該系統(tǒng)的最大功率跟蹤特性,，并就仿真中PI參數設置的關鍵問題進行了說明，可有效防止轉速比較控制中的轉矩沖擊問題,。
關鍵詞： 永磁同步電機,；風力發(fā)電；矢量控制,；PWM整流
當今世界,，石化能源大量消耗，傳統(tǒng)能源資源面臨枯竭,，能源短缺問題日益嚴重,。改變能源結構，開發(fā)新能源已經刻不容緩,。而風能便是各種新能源中應用最廣泛的一種[1],。
現代風力發(fā)電行業(yè)中,，應用最廣泛的兩種變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)分別為雙饋發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)。兩者中,，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)由于變頻策略實現在轉子側,，只需發(fā)電機容量的1/3左右，因此容量相對做得更大,，但是該系統(tǒng)需要價格昂貴的增速齒輪箱,，同時雙饋發(fā)電機含有容易損壞的滑環(huán)和電刷，使整個發(fā)電系統(tǒng)結構復雜,，穩(wěn)定性較差,，發(fā)電效率受此影響難以提升。與其相比,，永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)則省去了齒輪箱裝置,，結構相對簡單，控制較為容易,。雖然變頻器容量相對較大,，但是隨著電力電子技術的發(fā)展，變頻器容量也不再是一個明顯的瓶頸,。而且永磁風力發(fā)電系統(tǒng)還具有較強的低電壓穿越能力,，這是雙饋發(fā)電系統(tǒng)無法相比的[2-3]。從風力發(fā)電總體效益上考慮,，直驅式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)很有潛力,，將成為未來幾十年的主流方案，所以本文選擇永磁風電系統(tǒng)作為研究對象,。
1 拓撲結構基本原理
圖1為基于雙PWM拓撲結構的直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng),。風力機與永磁同步發(fā)電機同軸相連，發(fā)電機定子連接機側變流器,，機側變流器和網側變流器均為IGBT反并聯續(xù)流二極管的三相橋電路,，中間通過直流環(huán)節(jié)相連，網側變流器連接電網,。
該系統(tǒng)變流環(huán)節(jié)可以看作雙P結構的交直交變頻器 ,，但在控制上卻不相同。電路中PWM變流器可以分為兩部分,。電機側變流器主要用于控制發(fā)電機轉速,，使其跟隨風速的變化而變化來追蹤最佳風能（第3節(jié)中介紹），并且將發(fā)電機輸出的頻率和幅值變化的三相交流電整流成穩(wěn)定的直流電,；而網側變流器的作用則是穩(wěn)定直流側母線電壓,，并且將發(fā)電機輸出到直流側的電能轉換為頻率和幅值與電網相同的交流電饋入電網，此外,，在電網電壓因為雷擊或者短路等故障導致電壓跌落時，網側變流器可以向電網輸送一定的無功功率支持網側電壓的穩(wěn)定。
2 控制策略與控制結構
2.1 最大風能追蹤策略
風力發(fā)電系統(tǒng)在運行時主要有兩種狀態(tài)：額定風速以下運行和額定風速運行,。額定風速以下時保持槳距角β=0,，通過各種控制方式使發(fā)電機以最大功率運行；在達到額定風速或者超過額定風速時通過控制槳距角（變槳距）或者葉尖速比（定槳距）來降低風能利用系數Cp,，限制風能的利用率,，使風力機維持在額定功率運行。由于風電場中風速經常會低于額定風速,，而最大風能跟蹤問題就是在此基礎上提出的[4],。
風力機吸收功率為：
由式(2)可以看出，要使葉尖速比λ保持為λopt（最佳葉尖速比）,，只要使風力機轉速ω與風速v比值不變即可,。而直驅發(fā)電系統(tǒng)中風力機與發(fā)電機同軸相連，轉速相同,。所以只要風速變化時控制發(fā)電機轉速相應變化便能實現風力機對風能的最大追蹤,。這也是本文選用的最佳葉尖速比控制法。
此外還有爬山搜索法,、功率信號反饋法等方法都可以實現最大風能追蹤,。在此不再一一敘述。
2.2 控制結構
結合永磁同步發(fā)電機以及三相PWM變流器數學模型,，對網側變流器采用基于電網電壓矢量定向的控制策略,，機側變流器采用基于電機轉子磁鏈定向id=0矢量控制策略，設計出如圖2所示雙PWM協(xié)調控制結構圖,。
網側變流器的控制過程與機側變流器相似,，給定直流電壓Udc*與從直流側檢測得到的實際電壓Udc比較，差值經過電壓調節(jié)器得到有功電流的期望值id*,，id*與實際檢測到的有功電流iq比較（有功電流和無功電流通過坐標變換得到,，ω由鎖相環(huán)PLL得到），差值經過有功電流調節(jié)器輸出,，然后加上前饋電壓補償得到參考電壓ud,。無功電流iq*在發(fā)電系統(tǒng)正常運行時設定為0，iq*與實際無功電流iq比較,，差值經過PI調節(jié)器再加上前饋電壓補償得到參考電壓uq,，ud、uq經過SVPWM調制得到網側變流器主電路三相橋的驅動脈沖,，以此來控制網側變流器工作,。
根據以上分析，通過網側變流器和機側變流器協(xié)調控制,，便可使發(fā)電機和風力機跟隨風速的變化而變化,，吸收各種風速下的最大風能,，同時將風能轉化為機械能，進一步通過各種電流環(huán)節(jié)轉化為可以饋入電網的電能,，實現永磁風力發(fā)電的基本目標,。
3 系統(tǒng)仿真研究
根據圖2，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,，仿真參數設置如下：
風力機參數：額定功率120 kW,；風力機葉輪半徑12 m；切入風速3 m/s,；切出風速25 m/s,；額定風速10 m/s；最佳葉尖速比8.3,；最佳風能利用系數4.79,。
永磁同步發(fā)電機參數：額定功率120 kW；定子電阻0.12 Ω,，d軸電感0.033 H,；q軸電感0.033 H；永磁體磁鏈1.79 Wb,；轉動慣量150 kg·m2,；轉動粘滯系數0.005 N·m·s；極對數32,。
網側變流器仿真參數：網側相電壓220 V,；網側濾波電感0.012 H；濾波電感等效電阻0.06 ?贅,；開關頻率5 kHz,；直流側濾波電容0.002 2 F。
仿真波形如圖3～圖9所示,。
根據以上仿真曲線可以看出,，當風速由7 m/s漸變?yōu)?0 m/s時，發(fā)電機 (風力機)轉速能夠很好地跟隨風速的變化而變化,，發(fā)電機定子側電流和網側電流也隨著風速的增大而增大,，并且網側電流與電壓能夠保證運行在單位功率因數逆變(相位角相差180°)狀態(tài)。通過網側有功功率以及有功電流id,、無功電流iq可以看出,，整個發(fā)電過程中，只要系統(tǒng)正常運行,，網側無功電流iq便一直保持為0,，而有功電流可以隨著風速的變化而變化，當風速變化時饋入電網的有功功率由40 kW變?yōu)?20 kW,，風能利用系數在整個過程中基本保持不變,，接近0.48,，說明風電系統(tǒng)在整個過程中一直保持最大風能的追蹤。
4 其他問題的說明
(1)在風力發(fā)電的控制系統(tǒng)中應用了多個PI調節(jié)器,，在對其比例系數Kp,、積分系數Ki進行設定時必須符合發(fā)電系統(tǒng)的基本物理要求，另外各個PI調節(jié)器一定要加限幅值,。例如發(fā)電機控制系統(tǒng)中的變流器，如果外環(huán)為速度環(huán)時,，由于直驅風力發(fā)電系統(tǒng)具有很大的轉動慣量,，反應比較遲緩，因此要使其速度跟隨風速快速變化必須是PI調節(jié)器有合適的靈敏度,，一般比例系數Kp應該設置得較大一些,，而積分時間常數ιi應該較小。
(2)PI調節(jié)器的限幅值也非常關鍵,，因為仿真最終是模擬實際,，因此只有確定明確的限幅值才能確定系統(tǒng)的容量問題，才能對其他各種問題進行分析,。
(3)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的中間變流環(huán)節(jié)可以看作一臺背靠背PWM交直交變頻器[6],，因此當風速變化較為明顯時，若采用速度外環(huán)控制則可能出現發(fā)電機運行到電動狀態(tài)的問題,，也就是風能和電網發(fā)出電能同時使風力機和發(fā)電機提速,。在這種情況下風電系統(tǒng)的電流和功率極性都會瞬時發(fā)生改變，這對系統(tǒng)就有一定的沖擊性,，是一種不良影響,。因此必須對PI調節(jié)器設定合適的限幅值，防止其在轉速變化（特別是風速變化明顯,，如階躍信號）時工作在電動狀態(tài),，在設定限幅值時應同時設置積分環(huán)節(jié)單獨的限幅值，防止其積分影響,。
本文通過仿真分析驗證了采用雙PWM協(xié)調控制的永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)在最大功率追蹤方面的較好性能,，說明了該系統(tǒng)具有良好的可行性；論文最后對仿真系統(tǒng)中PI參數的設置進行了說明,，使該系統(tǒng)可以有效避免轉速控制中轉矩和功率沖擊問題,。
參考文獻
[1] 李傳統(tǒng).新能源與可再生能源技術[M].南京：東南大學出版社，2005.
[2] 馬洪飛,，徐殿國,，苗立杰.幾種變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)控制方案的對比分析[J].電工技術雜志，2000(10)：1-4.
[3] 李文杰.基于交流勵磁雙饋電機變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].淮南：安徽理工大學,，2011.
[4] 佘峰.永磁直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)中最大功率控制的仿真研究[D].長沙：湖南大學,，2009.
[5] 董桐宇.直驅式風力發(fā)電機的建模與并網仿真分析[D].太原：太原理工大學,，2011.
[6] TAFTICHT T，AGBOSSOU K,，CHERITI A.DC bus control of variable speed wind turbine using a buck-boost converter[C].Power Engineering Society General Meeting,，2006：18-22.