1引言

目前，雖然在整個風力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)仍占主流地位，但是直驅型發(fā)電機組憑借其固有的優(yōu)勢已經(jīng)開始越來越受到關注［1］。直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)采用風輪直接驅動多極低速永磁同步發(fā)電機（pmsg）發(fā)電，然后通過功率變換電路將電能進行轉換后并入電網(wǎng)，省去了傳統(tǒng)雙饋式風力發(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)的運行可靠性，因而得到了市場青睞。

2直驅型風電機組變流器拓撲結構

低壓系統(tǒng)中全功率變流器的兩種拓撲結構最簡形式如圖1。

對于主動整流拓撲而言，三相電壓型逆變器取代了不控整流和升壓斬波單元，控制發(fā)電機負載轉矩，從而實現(xiàn)對電機轉速的調節(jié)。這種拓撲結構采用雙pwm（pulsewidthmodulation）全功率變流器，能夠實現(xiàn)對發(fā)電機的高性能控制，也避免了不控整流和升壓斬波兩級結構給系統(tǒng)增加的復雜性，減少了發(fā)電機的銅耗和鐵耗，并可調節(jié)發(fā)電機功率因數(shù)為1，具有較好的發(fā)展前景。鑒于電機側變流器與電網(wǎng)側變流器控制策略的側重點各有不同，本文提出了電機側變流器和電網(wǎng)側變流器分開控制的控制方法（系統(tǒng)控制框圖如圖2所示），可以實現(xiàn)對它的有效控制，從而產(chǎn)生高性能的動態(tài)特性。

3電機側變流器控制策略

本文通過控制發(fā)電機組的轉速來實現(xiàn)最大風能跟蹤，使發(fā)電機轉速能跟從不斷變化的風速，從風中獲取更多的能量：當風速在額定風速以下時，系統(tǒng)進行轉速控制的目的是保證機組運行在最大風功率追蹤狀態(tài)下；當實際風速高于額定風速時，受機械強度、發(fā)電機容量和變頻器容量等限制，必須降低風輪捕獲的能量，使功率保持在額定值附近，此時槳距角控制需要起作用，以保證機組保持在額定功率附近。

3.1額定風速以下風力機最大功率跟蹤算法（mppt）

風機輸出的功率大小會隨著轉速的變化而變化。對任意一個風速，都有一個最優(yōu)轉速使得功率最大。因此，風機控制的目標是要控制轉速使風機始終運行在輸出功率最大點。當槳距角一定時，存在一個最優(yōu)的葉尖速比λ使得風能利用系數(shù)cp最大，也就是使輸出功率最大。根據(jù)公式，要實現(xiàn)風能的最大功率跟蹤，則必須根據(jù)風速來調節(jié)發(fā)電機轉速大小，從而維持最優(yōu)葉尖速比。

永磁同步發(fā)電機的電磁轉矩取決于電動機的定子電流，對于直驅風力發(fā)電系統(tǒng)，采用永磁同步發(fā)電機，沒有增速機構，因此風力機在各種風速下的轉速就對應發(fā)電機相應的轉速，即ω=ωg，（ω是風機轉速，ωg為發(fā)電機轉速），因此要使風力機的轉速時刻追隨風速保持為該風速下的最優(yōu)轉速，就是使發(fā)電機的轉子轉速跟隨風速并保持某風速下的最優(yōu)轉速。發(fā)電機轉速控制方式需要先檢測風速信號，再通過風速—最優(yōu)轉速的關系自尋優(yōu)找到最優(yōu)轉速，將最優(yōu)轉速作為參考轉速輸入到電機驅動器中，通過速度閉環(huán)系統(tǒng)使發(fā)電機達到最優(yōu)工作點。由于發(fā)電機的速度和電磁轉矩有著直接的關系，因此可將力矩環(huán)節(jié)作為速度環(huán)節(jié)的內(nèi)環(huán)進行設計。對于永磁電機不需要勵磁電流，定子電流只產(chǎn)生轉矩，在旋轉坐標系下，永磁電機的電磁轉矩te=1.5pψfiq只與q軸電流相關，而與d軸電流無關，所以力矩環(huán)節(jié)的控制可以轉化為電流環(huán)節(jié)的控制。于是，只需通過控制q軸電流即可實現(xiàn)發(fā)電機轉矩轉速的控制。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)電機側變流器的主要作用是根據(jù)實際風速的變化，調節(jié)輸出電壓信號ug和電頻率fe。根據(jù)永磁電機的矢量控制原理，通過對發(fā)電機轉子電流矢量的相位和幅值進行控制即可達到調速的目的。從永磁電機的轉矩公式可以看出，當永磁體的勵磁磁鏈和直交軸電感確定以后，發(fā)電機的轉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，通過對這兩個電流的控制就可以控制發(fā)電機的轉矩。一定的轉速和一定的轉矩對應于一定的id和iq，通過對這兩個電流的控制，使實際id和iq跟蹤指令值i*d和i*q，便實現(xiàn)了發(fā)電機和速度的控制。

4電網(wǎng)側變流器控制策略

一般電網(wǎng)側變流器控制系統(tǒng)需要交流電壓傳感器、交流電流傳感器、直流電壓傳感器來檢測控制量和起保護作用，增加了系統(tǒng)成本，使得整流裝置體積龐大，同時傳感器信號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方法的基礎上采用虛擬磁鏈來計算角度，無需對交流電壓信號進行檢測，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，簡化了電路結構。而且對于電網(wǎng)干擾有較強的抑制作用，電網(wǎng)輸入電流的畸變較小，系統(tǒng)具有更好的動、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引出，可將電網(wǎng)側電源（圖3中虛線部分）看作一個虛擬的交流“電機”，其中的電阻與電感可分別視為虛擬電機定子電阻和定子漏感。

先設三相電網(wǎng)電壓平衡，同時忽略進線電抗器和線路電阻r。此時αβ坐標系下的三相vsr的電壓方程為：

由式（3）可以看出在估計磁鏈時用到了積分環(huán)節(jié)。積分初值的問題會造成觀測磁鏈的偏差。本文用兩個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器如圖4。

4.3瞬時功率的估計

用測得的線電流值和估計的磁鏈值來估算瞬時功率。在復數(shù)領域，瞬時功率可按下式計算：

p=re（ui*l）

q=im（uli*l）

i*l是il的共軛復數(shù)。

瞬時有功功率和無功功率可以表示為：

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。通過測量得到的電流信號和直流側電壓信號即可估算瞬時功率和磁鏈位置角。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調節(jié)器調節(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，將無功功率參考值設為0，以保證整流器單位功率因數(shù)運行。內(nèi)環(huán)則控制瞬時有功和無功功率，瞬時功率的計算值與參考值的比較偏差經(jīng)pi控制器輸出后，轉化到α-β坐標系，將ua和uβ直接送入pwm調制模塊來得到開關信號。

5仿真分析

為驗證上述控制方法，本文利用matlab/simulink軟件搭建了基于直驅型風力發(fā)電機電機側以及電網(wǎng)側仿真模型，分別如圖6和圖7所示，主要仿真參數(shù)見附表所列，仿真結果如圖8和圖9所示。

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

圖8為風速在13m/s到14m/s階躍變化時風速、發(fā)電機轉速、風力機輸出轉矩、發(fā)電機轉矩、葉尖速比和風能利用系數(shù)波形。隨著風速的變化，d軸電流保持為零，q軸電流隨之調節(jié)，葉尖速比保持最優(yōu)λopt，風能利用系數(shù)維持最大值。仿真結果證明了控制的效果，體現(xiàn)了變速風力發(fā)電系統(tǒng)較恒速風電系統(tǒng)捕捉能量多且工作穩(wěn)定的優(yōu)點，驗證了發(fā)電機側的控制算法的可行性。實現(xiàn)了風能的最大功率跟蹤，控制策略的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能得到驗證。

圖9為采用虛擬磁鏈矢量控制系統(tǒng)交流側a相電壓電流、直流電壓、瞬時有功、瞬時無功的波形。仿真結果說明在無功給定q*=0時，交流側電流波形接近正弦，電壓電流同相，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流運行。有功、無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)實現(xiàn)了較好的控制性能。

6結束語

本文采用雙pwm變流器作為直驅永磁同步風力發(fā)電機的并網(wǎng)電路，提出了一種電機側變流器和電網(wǎng)側變流器分開控制的控制策略。仿真結果驗證了所提出控制策略的正確性：電機側在額定風速以下時可以很好的通過追蹤最佳葉尖速比來獲取最大風能，并穩(wěn)定直流側電壓；電網(wǎng)側可以保持網(wǎng)側功率因數(shù)運行，并且省去了交流電壓傳感器，擁有較好的動、靜態(tài)性能。電機側和電網(wǎng)側各司其職，使得控制方法簡單、有效。