直驱式风力发电系统控制策略研究

1 引言

　　在当前风力发电领域，虽然双馈式风力发电系统依旧占据主导地位，但直驱式发电机组以其独特优势逐渐受到业界瞩目。直驱式风力发电系统通过风轮直接带动多极低速永磁同步发电机发电，并通过功率转换电路将电能接入电网。此设计省去了传统双馈系统中易损的齿轮箱，大幅提升了系统效率，显著降低了噪音，增强了系统运行的可靠性，因此备受市场欢迎。

　　2 直驱型风电机组变流器拓扑结构

　　在低压系统中，全功率变流器存在两种简化拓扑结构，如图1所示。

　　在主动整流拓扑中，三相电压型逆变器替代了不可控整流和升压斩波单元，从而控制发电机的负载转矩，实现对电机转速的调节。皖南电机该拓扑采用双PWM全功率变流器，实现对发电机的高效控制，避免了传统结构的复杂性，降低了发电机的铜耗和铁耗，并能调节发电机功率因数为1，展现出良好的发展潜力。鉴于电机侧与电网侧变流器的控制策略各有侧重，本文提出将两者分开控制的方法（系统控制框图如图2所示），有效实现控制，确保系统动态性能优异。皖南电机

　　3 电机侧变流器控制策略

　　本文通过控制发电机转速以实现风能的*大化跟踪，使发电机转速适应不断变化的风速，从风中获取更多能量。风速低于额定值时，系统通过转速控制确保机组在*大风功率追踪状态运行；风速超过额定值时，因机械强度、发电机容量和变频器容量等限制，需降低风轮捕获的能量，保持功率在额定值附近，此时桨距角控制发挥关键作用，确保机组功率稳定。

　　3.1 额定风速以下风力机*大功率跟踪算法（MPPT）

　　风机输出功率随转速变化。对任意风速，存在一个*佳转速使功率*大。因此，风机控制目标是使风机始终运行在功率*大点。当桨距角一定时，存在一个*佳叶尖速比λ使风能利用系数*大，即输出功率*大。根据公式，要实现风能*大功率跟踪，需根据风速调节发电机转速，维持*佳叶尖速比。

　　3.2 发电机转速控制

　　永磁同步发电机的电磁转矩取决于定子电流。在直驱风力发电系统中，采用永磁同步发电机，无增速机构，因此风力机转速直接对应发电机转速。要使风力机转速始终追随风速并保持*佳转速，需使发电机转子转速随风速变化并保持*佳转速。发电机转速控制需先检测风速信号，再通过风速与*佳转速的关系自寻优找到*佳转速，将其作为参考转速输入电机驱动器，通过速度闭环系统使发电机达到*佳工作点。由于发电机的速度和电磁转矩直接相关，可将力矩环节作为速度环节的内环进行设计。对于永磁电机，无需励磁电流，定子电流只产生转矩，旋转坐标系下，永磁电机电磁转矩与q轴电流相关，与d轴电流无关，因此力矩环节的控制可转化为电流环节的控制。只需控制q轴电流即可实现发电机转矩转速的控制。速度控制方式是以电流控制为内环，速度控制为外环的闭环控制系统。发电机侧变流器主要作用是根据实际风速变化，调节输出电压信号和电频率。根据永磁电机矢量控制原理，通过对发电机转子电流矢量的相位和幅值进行控制即可实现调速。从永磁电机转矩公式可以看出，当永磁体励磁磁链和直交轴电感确定后，发电机的转矩取决于定子电流的空间矢量，而矢量的大小和相位取决于id和iq，通过对这两个电流的控制即可控制发电机的转矩。一定的转速和一定的转矩对应于一定的id和iq，通过对这两个电流的控制，使实际id和iq跟踪指令值id*和iq*，便实现了发电机和速度的控制。

　　4 电网侧变流器控制策略

　　一般电网侧变流器控制系统需交流电压传感器、交流电流传感器、直流电压传感器来检测控制量和起保护作用，增加了系统成本，使得整流装置体积庞大。皖南电机价格表同时，传感器信号丢失和噪声干扰可能降低系统性能。为此，研究省略传感器控制策略十分必要。本文在传统SVPWM方法的基础上采用虚拟磁链计算角度，无需检测交流电压信号，省去了交流电压传感器，降低了系统成本，减小了装置体积，简化了电路结构。此外，对电网干扰有较强抑制作用，电网输入电流畸变较小，系统具有更好的动、静态控制特性。安徽皖南电机

　　4.1 虚拟磁链的概念

　　虚拟磁链的概念源于虚拟电机，将电网侧电源视为一个虚拟的交流“电机”，其中的电阻与电感分别视为虚拟电机定子电阻和定子漏感。安徽皖南电机

　　4.2 虚拟磁链观测器

　　本文用两个一阶低通滤波器代替积分环节，消除观测磁链的偏差，得到的虚拟磁链观测器如图4所示。

　　4.3 瞬时功率的估计

　　利用测得的线电流值和估计的磁链值估算瞬时功率。在复数领域，瞬时功率可按以下公式计算：

　　p=re（ui*l）

　　q=im（uli*l）

　　i*l是il的共轭复数。

　　瞬时有功功率和无功功率可表示为：

　　p=w（ψlαilβ-ψlβilα）

　　p=w（ψlαilα-ψlβilβ）

　　4.4 引入虚拟磁链的SVM-DPC控制框图

　　图5是引入虚拟磁链的SVM-DPC控制框图。通过测量得到的电流信号和直流侧电压信号估算瞬时功率和磁链位置角。系统以直流输出电压为外环控制，输出电压与电压参考值的差值经PI调节器调节得到参考电流值。将其与输出电压一同送入乘法器即可得到有功功率的参考值。同时，将无功功率参考值设为0，以保证整流器单位功率因数运行。内环控制瞬时有功和无功功率，瞬时功率的计算值与参考值的比较偏差经PI控制器输出后，转化到α-β坐标系，将ua和uβ直接送入PWM调制模块来得到开关信号。

　　5 仿真分析

　　为验证上述控制方法，本文利用Matlab/Simulink软件搭建了基于直驱型风力发电机电机侧及电网侧仿真模型，分别如图6和图7所示，主要仿真参数见附表所列，仿真结果如图8和图9所示。皖南电机

　　永磁同步发电机参数为：额定转速n=750rad/min，rs=1.64ω；ld=0.01547h；lq=0.0258h；ψf=0.1848wb；pn=2；te=9.55n·m。

　　图8为风速在13m/s到14m/s阶跃变化时风速、发电机转速、风力机输出转矩、发电机转矩、叶尖速比和风能利用系数波形。随着风速变化，d轴电流保持为零，q轴电流随之调节，叶尖速比保持*佳λopt，风能利用系数维持*大值。仿真结果证明了控制效果，体现了变速风力发电系统较恒速风电系统捕捉能量多且工作稳定的优点，验证了发电机侧控制算法的可行性。实现了风能的*大功率跟踪，控制策略的稳态和动态性能得到验证。

　　图9为采用虚拟磁链矢量控制系统交流侧a相电压电流、直流电压、瞬时有功、瞬时无功的波形。仿真结果说明在无功给定q*=0时，交流侧电流波形接近正弦，电压电流同相，实现了单位功率因数整流运行。有功、无功功率具有较好的稳态特性，p的平均值稳定在给定值p*，q的平均值稳定在给定值0，系统实现了较好的控制性能。

　　6 结束语

　　本文采用双PWM变流器作为直驱永磁同步风力发电机的并网电路，提出了一种电机侧变流器和电网侧变流器分开控制的控制策略。仿真结果验证了所提出控制策略的正确性：电机侧在额定风速以下可很好地通过追踪*佳叶尖速比获取*大风能，并稳定直流侧电压；电网侧可保持网侧功率因数运行，并省去了交流电压传感器，拥有较好的动、静态性能。电机侧和电网侧各司其职，使得控制方法简单、有效。