永磁直驱式变桨距风力发电机组的建模与控制

1、. . . 永磁直驱式变桨距风力发电机组的建模与控制1  引言   永磁直驱式风力发电机组是我国风力发电机组的主流机型之一。永磁风力发电机通过增加极对数，降低发电机转速，从而能够与风力机直接相连，取消了增速齿轮箱。由于没有传统风力发电系统故障率很高的齿轮箱，直驱式风力发电系统稳定性和效率大大提高，且有效地抑制了噪声，具有比较广泛的市场应用前景。                  

2、0;                                    图1  风力发电系统结构2  永磁直驱式并网型变桨距风力发电机组的结构   永磁同步发电机的同步速较低，输出电压较低。考虑到电网电压较高，电网与

3、电机之间的能量变换装置，必须要有较大幅度的升压能力。考虑到变压器体积较大，实际系统中，发电机组运送到塔顶成本较高，所以本文采取方法是直流母线侧先升压再进行并网逆变。本文采用的机组方案如图1所示。                                  

4、0;                          图2 桨距调节控制系统3  风力机的建模   风力机建模一般只考虑其风能利用系数而忽略风力机的空气动力学过程。本文即采用风力机的风能利用系数来建立其仿真模型。         

5、;                                                  

6、;  图3 机侧电流环控制系统风力机仿真模型的建立主要基于以下三个方程：                             (1)这里Cp-曲线采用文献1中给出的公式：           &#

7、160;     (2)其中：                        (3)   采用c1=0.365，c2=116，c3=0.4，c4=5，c5=21，c6=0.008。考虑到是发电机，建模时转矩要取反。        

8、                                             图4 网侧逆变器电流环控制系统4  控制系统的设计4.1桨距调节控制系

9、统的设计   当系统存在显著的不确定因素时，设计高精度的控制系统，必须研究控制系统在不确定情况下的鲁棒性。PID控制器能够在很宽的运行条件下具有比较好的鲁棒性，并且形式简单，易于操作。这里采用PID控制器来进行机组在高风速区的桨距调节。变桨距风力发电系统在低风速区进行最大风能跟踪，节距角为零，即不进行变桨距调节。                      &

10、#160;                               图5 网侧逆变器电压外环控制系统   风力机和发电机不经过增速齿轮箱而直接联接，传动系统的动态方程如下4：         &#

11、160;                     (4)   式中，J是风轮转动惯量；是风轮转动的角速度；B是发电机的摩擦系数；Ta是风轮的气动转矩；Te是发动机获得的电磁转矩。得到在运行点附近的线性化模型为：              &

12、#160;     (5)   设在变桨距系统的高风速区，输出功率保持恒定，所以Te=0。即：                            (6)         

13、60; (7)假定在运行点Taopt=Teopt，线性化系数可以由下列表达式给出：                      (8)由式(7)和式(8)可得：            (9)认为：V=0经过拉普拉斯变换可得：     

14、;                           (10)   由公式(8)，显然在桨距调节时，0。当高风速时，值较小，此时叶尖速比值位于峰值左边，所以0。             &

15、#160;                                                  

16、  图6 Boost电路图   当线性化系数具有正的最大值max，负的最小值min时，系统具有最大的开环不稳定极点，此时工作情况最恶劣。因此系统应以线性化系数max和min来设计。                                 &#

17、160;                            图7 前级母线电压控制框图   变桨距风力发电系统控制系统执行机构，主要包括液压系统和机电伺服系统。可以用小惯性环节(s)来模拟。桨距调节系统的控制框图如图2所示。   把节距角作为被控对象，图2中，H(S)为考虑到转速信号的

18、采样延迟，转速反馈环节的传递函数，通常可以取：。   这里不考虑转速信号的采样延迟，所以H(S)=1。                                        

19、0;     图8 直驱式变桨距风力发电系统模型4.2机侧整流器控制系统的设计   在转子磁场定向的dq坐标系中，隐极式永磁同步发电机的数学模型为2：                (11)整理可得：             (12)   由于d轴和

20、q轴之间存在耦合项pLiq和pLid，采用前馈解耦策略，可以消除耦合项。设vd=-ud+pLiq和vq=-uq+pLid，以iq为例，可得电流环的控制系统如图3所示3。   图3中，Ts为PWM开关周期，KPWM为桥路PWM等效增益。由于电流环需要较快的电流跟随能力，PI参数的设计可按典型I型系统设计。这里不再赘述3。   外环采用功率环。由最佳功率转速曲线得到给定有功功率值。本文不考虑无功补偿，无功功率给定设为零。通过功率外环，机组可以进行最大风能跟踪。        &#

21、160;                         (a)风速                        &#

22、160;               (b)节距角                                   

23、   (c)机组转速                                      (d)最大风能利用系数       

24、;                           (e)风力机输出功率                      

25、          (f)前级母线电压                                  (g)后级母线电压    

26、0;                                  (h)定子三相电流               

27、                    (i)并网三相电流                            

28、60;      (j)并网有功功率                                           

29、0;                         图9 高风速区的机组仿真波形4.3网侧逆变器控制系统的设计   网侧逆变器忽略三相桥路自身的损耗3，采用电压外环、电流环控制。取q轴与电网电动势矢量同轴，网侧变换器的dq模型可以描述为：        &#

30、160;           (13)式中，ed、eq是电网电动势矢量的d、q分量；ud、uq是网侧逆变器交流侧电压矢量的d、q分量；id、iq是网侧逆变器交流侧电流矢量的d、q分量；pe、Qe是输入电网的有功、无功分量；e是电网频率。   与机侧整流器设计思路类似，采用电流前馈解耦控制方法，并且考虑到电流环信号的采样延迟和PWM控制的小惯性特性，已解耦的iq电流环控制框图如图4所示。   由于电流环需要较快的电流跟随能力，PI参数的设计可按典型I型系统设

31、计。   电压外环的控制目标是维持后级母线电压Vdc2保持恒定。设i21、i21分别为后级直流母线的输入、输出电流。则有：                                 (14)忽略损耗时，有：    

32、                              (15)假设Vdc2能够保持恒定，则有：                 

33、60;               (16)   由公式(14)、(15)、(16)可得到后级直流母线电压Vdc2的动态模型为：                          (17)&

34、#160;  由此可得到电压外环控制框图如图5所示。   图5中，由于取q轴与电网电动势矢量同轴，可以令。由于电压环需要较好的抗干扰能力，PI参数的设计可按典型型系统设计。4.4Boost电路控制系统的设计   Boost电路控制系统采取电压外环、电流环的控制策略。图6是Boost升压电路图。电流环的电感电流采用峰值电流控制。峰值电流存在次谐波振荡，当占空比大于0.5的时候要采取斜坡补偿。电压外环控制目标是维持前级母线电压Vdc1保持恒定。设计前级母线电压的系统控制框图如图7所示。   电压调节器Gc(s)采用单极点单零点补

35、偿，即。积分环节消除系统稳态误差，零点ss=1/1补偿积分环节引起的相位滞后，极点sp=1/2进行高频滤波6。                                         

36、0;                 附表变桨距非并网风力发电机组的仿真参数5  机组的建模与仿真5.1仿真参数的选择  机组仿真参数如附表所示。5.2模型的建立由以上分析，可由Matlab/Simulink搭建出永磁直驱式变桨距并网型风力发电机组的模型如图8所示。5.3仿真结果与分析   根据以上所建模型，本文对机组在高风速区和低风速区分别进行了动态仿真，并且考虑到了风速的背景噪音以与风速的突变

37、。   图9给出了高风速区的机组仿真波形。平均风速为16m/s，在0.2s时，阵风开始，0.3s结束。对于并网型机组，待机组稳定后，从0.1s开始选取波形。   图9(a)给出了风速波形图。图9中可以看出，在高风速区，机组实行变桨距控制，如图9(b)所示，调整节距角，保持输出功率恒定。此时，作为变桨距控制系统的被控对象转速也保持恒定，如图9(c)所示。由公式(1)可知，在转速恒定的情况下，风能利用系数变化趋势与风速变化趋势一样。前级母线电压和后级母线电压几乎为一恒值。并网三相电压和三相电流畸变程度很小，在高风速区具有比较好的并网特性。并网有功功率和无功功

38、率基本能够满足要求。   图10给出了低风速区的机组仿真波形。平均风速为6m/s，在0.2s时，阵风开始，0.3s结束。   图10(a)给出了风速波形图。在低风速区，节距角为0，进行最大风能跟踪。图10(d)中可以看出，风能跟踪效果良好。在低风速区，风力机的输出功率与风速的三次方成正比。在风速变化时，风力机输出功率变化较大。与高风速区一样，前级母线电压和后级母线电压几乎为一恒值。在低风速区，并网三相电流有明显畸变，并网有功功率和无功功率基本能够满足要求。        &#

39、160;                   (a)风速                              (b

40、)节距角                              (c)机组转速                   

41、         (d)最大风能利用系数                              (e)风力机输出功率                        &#