直驱永磁风力发电机控制策略研究

直驱永磁风力发电机控制策略研究

风能发电作为一种可利用能源的典范，受到了各国的广泛关注。由于其效率高、制造方便、控制有效，永速齿轮箱的特点，克服了非步速发电系统的缺点，克服了系统可靠性低的缺点，成为风风发电的主要趋势。直驱风风发电系统首先将不稳定风速转化为频率和振幅变化的交流电流量，然后使用输出电路将交流转化为直流电流，然后通过三相逆变量将直流电流转化为与电网相位相同的三相四线。图1显示了直接驱动风发电系统。本文在分析风力机和永磁同步发电机工作原理的基础上,研究实现最大风能捕获的桨距角控制策略和发电机转速控制方法,并在Matlab/Simulink环境下搭建了整个仿真系统的模型.1直接驱风发电的数学原理1.1风力机传动模型风力机将风能转换成机械能,获得的机械功率如式(1)Ρm=12ρsv3Cp=π8ρD2v3Cp(1)Pm=12ρsv3Cp=π8ρD2v3Cp(1)式中s为风轮截面积(m2);D为风力机的直径(m);v为风速(m/s);Cp为风能利用系数;ρ为空气密度;Cp为桨距角β和叶尖速度比λ相关的系数,如式(2)Cp=0.517(116λl-0.4β-5)e21λl+0.0068λ(2)Cp=0.517(116λl−0.4β−5)e21λl+0.0068λ(2)其中λ=wRv‚wλ=wRv‚w为风轮角速度(rad/s),R为风力机转子半径(m),1λi=1λ+0.008β-0.035β3+1(m),1λi=1λ+0.008β−0.035β3+1风力机输出转矩Tw与风速v的关系如式(3)Τw=0.5ρπR3v2Cpλ(3)Tw=0.5ρπR3v2Cpλ(3)在直驱式风力发电系统中,风力机与永磁发电机间是直接耦合方式,根据转矩平衡原理,其传动系统数据模型如式(4)Jdωgdt=Τe-Τw-Bωg(4)Jdωgdt=Te−Tw−Bωg(4)式中J为风力机转动惯量(kg·m2),Te为永磁电机的电磁转矩(N·m);ωg为永磁电机的转速(rad/s);B为粘滞系数.1.2永磁发电机的等效电压分量vd的计算忽略永磁电机的铁芯损耗、电流电压的高次谐波,在气隙磁通是正弦分布的假设下,在d-q坐标系下,永磁发电机的数学模型如式(5){ud=Rid+Lddiddt-ωeLqiquq=Riq+Lqdiqdt+ωeLddiddt+ωeψr(5)⎧⎩⎨ud=Rid+Lddiddt−ωeLqiquq=Riq+Lqdiqdt+ωeLddiddt+ωeψr(5)其中,ud,uq为永磁发电机d轴和q轴的等效电压分量(V);id,iq为永磁发电机d轴和q轴的等效电流分量(A);Ld,Lq为永磁发电机d轴和q轴的等效电感分量(H);R为永磁发电机定子电阻(Ω);ωe为永磁发电机电角频率(rad/s);ψr-永磁发电机的磁链幅值(Wb).永磁发电机的电磁转矩如式(6)Te=1.5Np[(Ld-Lq)idiq+iqψr](6)其中,Np为发电机转子极对数.2风力发电最大风速控制的基本理论风能利用系数Cp与叶尖速度比λ和桨距角β的关系曲线如图2所示,图2表明桨距角β=0时,风能利用系数最大,当桨距角β一定是,存在唯一的叶尖速比λ值,使得Cp取值为最大,即风能转化效率为最高.对于特定的风力机,其桨叶旋转半径一定,影响叶尖速比λ的因素为风力机的旋转速度.外界风速恒定这是理想的情况,实际的风速是不断变化的,包含基础风(平均风速)、阵风、随机风、渐变风,研究风力发电最大风能控制策略,必须考虑风速的大小,通常将风速分为4个阶段:1)风速低于风力机切入风速此时,风力机不能运转,只有当实际风速大于切入风速时,才能将风能转化为机械能,启动风力发电.2)切入风速<风速小于等于额定风速额定风速是风力发电机达到额定功率时的风速,当风速处于这阶段时,要求风力机从风中捕获最大风能,即桨距角为0,控制永磁发电机转速,使其与风速的比值最大,即λ=wR/v最大,从而获得最大风能.3)额定转速<风速小于切出风速当风速达到切出风速时,受到发电机功率、变频器容量以及机械结构强度的限制,为了避免大风对风电机组造成破坏,风力机将进行停车,进行自我保护.当风速大于额定风速而又小于切出风速时,由于高风速使发电机的功率高于额定功率,此时通过调节变桨距角来减少叶轮输入功率,使发电机输出功率稳定在额定功率.4)风速大于切出风速如果风速达到切出风速,则风力机将停车进行保护,风电机组不发电.2.1变桨距角控制当风速大于额定风速时,需要变桨距角控制使发电机输出功率稳定于额定功率,所以将发电机功率作为输入量,设计PI控制器,当风速低于额定风速时,桨距角保持0度,当风速高于额定风速时,通过PI控制使桨距角增大,减小输出功率,从而使输出稳定在额定功率处,图3为加入变桨距角控制后的风力机仿真模型.额定功率Peref与实际功率Pe经过PI环节调节后,由选择开关根据当前风速是否超过额定风速,判断是否调节桨距角,如果低于额定风速,桨距角为0,如果高于额定风速,则经PI调节输出桨距角,然后经过Cp子函数模型与输出转矩子函数输出.2.2永磁发电机转速控制的仿真模型永磁发电机的控制器采用矢量控制,最大风能的叶尖速比λ对应的转速作为参考值,与实际的电机转速比较,作为矢量控制中的速度输入量.经PI控制器得到的电流参考值i*q,由实测值iq实时跟踪,而电流i*d输入为0,由实测id跟踪.永磁发电机转速控制的仿真模型如图4所示.3实测风速仿真对直驱永磁发电机系统进行仿真,选择的参数如下:定子绕组2.8Ω,Ld,Lq为8.5e3H,电机极对数为4,永磁磁通为0.175Wb,惯性系数为0.8e-3kg·m2,摩擦系数为0.05.桨叶半径为24m,空气密度为1.225kg/m3,额定风速为10m/s,风速数据采用某地部分实测风速数据,其变化曲线如图5所示,风速从8m/s左右跃变到14m/s附近.在风速的变化过程中,直驱永磁风力发电系统的各物理量的关系曲线分别如图6所示桨距角变化曲线、图7所示永磁电机转速曲线、图8所示电磁转矩曲线、图9所示永磁电机电流曲线.风速在8m/s附近时,对应最大风能捕获时的叶尖速比为7.8,桨距角β=0°,当风速增加到14m/s左右时,高于额定风速,桨距角经过PI调节,β=2.8°,使风力机捕获风中的部分能量,使机组的功率维持在额定值附近.发电机的转速有一定的惯性延迟,不会随风速立即变化,经过延迟也会跟上其变化.对比于模糊PID、神经网络PID控制算法,矢量控制方法,省去了模糊规则建立和神经网络学习的复杂过程,对电流的跟踪可快速实现转速的调节.总之,本文设计的直驱永磁发电机仿真模型,可正确仿真出桨距角及电机转速控制过程,及内部各物理量间的关系,并实现最大风能捕获下的