變速直驅永磁同步發電機風力發電系統的控制

    鄧秋玲^1,2，黃守道²，肖鋒¹

(1湖南工程學院，湖南湘潭411101；2湖南大學，湖南長沙410082)

    摘要：闡述了變速風電系統中直驅永磁同步發電機的運行控制。發電機通過全功率控制的變-直-交電路連接到電網上，功率變換電路由脈寬調制(PWM)的整流器、中間直流電路環節、PWM逆變器組成。控制發電機在不同負載條件下從隨機變化的風中最有效地獲得輸出功率。對網側逆變器采用矢量控制來調節風電系統的功率因數。最后對系統進行了仿真，仿真結果證明了提出的系統的有效性。

    關鍵詞：永磁同步發電機；風能；功率變換器；直接驅動

    中圖分類號：TM341  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)06—0051—04

0引言

    目前風力發電是再生能源發電技術中增長最快的一種，到2020年，其發電量將占全世界發電量的百分之12。由于風力的特性，無需供給燃料，風力發電系統的基本要求是從隨機變化的風中獲得****能量。在一些文獻中闡述了運行在變速恒頻模式的風輪采用****功率吸取算法所產生的電功率比傳統的恒壓恒頻控制要多出百分之9～百分之11。

    傳統的風力系統在風輪機和發電機之間存在齒輪箱，齒輪箱的存在會產生機械故障和增加維護費用。為了提高系統可靠性和降低維護費用，取消齒輪箱，用永磁體代替同步電機的勵磁繞組。由于永磁材料磁性能的改善和價格的降低，永磁勵磁發電機與傳統發電機相比，還具有結構簡單、效率高等優點，極距減小，轉速可以設計得較低(20～200 r／min)，取決于發電機的額定功率。

    本文采用變速直驅永磁同步發電機(以下簡稱PMSG)風力發電系統，發電機通過全功率控制的交-直-交電路連接到電網上，這個功率變換電路由PWM整流器、中間直流電路環節和PWM逆變器組成。文中闡述了PMSG風電系統的運行控制，對系統進行了仿真，仿真結果證明了提出的系統的有效性。

1 PMSG系統組成

1．1風力發電系統的組成

    PMSG風力發電系統如圖1所示。永磁同步發電機直接與風輪機相連接，再通過全功率控制的變-直-交電路連接到電網上，功率變換電路由整流器、直流電路環節、逆變器組成。發電機首先將風能轉化為頻率和幅值變化的交流電，經過整流之后變為直流，然后經過三相逆變器變換為三相電壓和頻率均恒定的交流電傳遞到電網。

1．2交-直-交變換電路的拓撲結構

    風力發電系統中的交-直-交變換電路可以有不同的拓撲結構。對于不同的結構，系統的控制方法會相應的發生變化。風力發電系統的交-直-交電路主要有：

    (1)不控制整流后接晶閘管逆變器和無功補償；

    (2)不控制整流后接直流側電壓變化的PwM電壓源型逆變器或電流源型逆變器；

    (3)不控制整流后接直流側電壓穩定的PwM電壓源型逆變器；

    (4)PwM整流后接電壓源型PwM逆變器(雙PWM變換電路)。

    目前采用雙PwM變換器的PMSG風力發電系統越來越多，系統原理圖如圖2所示。它由PwM整流器、直流電路環節和PwM逆變器組成。PwM整流器的作用是將發電機發出的交流電變換成直流電，提供一個可供****功率跟蹤算法使用的功率信號，實現****功率控制。對PwM變換器施加矢量控制，實現有功功率和無功功率的解耦，以便提供所要求的無功功率，并且能傳輸所有的有功功率。通過解耦控制，發電機轉矩直接由交軸電流分量控制，采用使損耗****的直軸電流作為參考值，實現對電機的****轉矩、****效率、最小損耗控制。

2發電機與電力電子變換器的控制

2.1發電機側變換器(PWM整流器)的控制

    (1)永磁同步發電機的模型

    永磁同步發電機在由同步旋轉坐標系中的數學模型^[3]為：

式中：R_s為發電機每相繞組電阻，L_d、L_q分別為定子繞組的直軸電感和交軸電感，ω為發電機定子角頻率