电机侧变换器控制策略实现最大风能跟踪

1.基本原理

实现最大风能跟踪的要求是在风速变化时及时调整风力机转速，使其始终保持最佳叶尖速比运行，从而可保证系统运行于最佳功率曲线上。对风力机转速的控制可通过风力机变桨距调节，也可通过控制发电机输出功率进行调节。由于风力机变桨距调节系统结构复杂，调速精度受限，因此可通过控制发电机输出有功功率调节发电机的电磁转矩，进而调节发电机转速。

由永磁同步发电机的功率关系可知

式中　Pem、Pm、P0——发电机电磁功率、风力机输出机械功率、机械损耗；

Ps、PCus、PFes——发电机定子输出有功功率、定子铜耗、定子铁耗。

为实现最大风能跟踪控制，应根据风力机转速实时计算风力发电机输出的最佳功率指令信号Popt，令式（7-8）中Pm=Popt，由式（7-3）和式（7-8）可得到发电机的最佳电磁功率和定子有功功率指令为

按照有功功率指令控制发电机输出的有功功率可使风力机按式（7-3）的规律实时捕获最大风能，从而实现发电机的最大风能跟踪控制。

2.电机侧变换器控制策略

采用永磁同步发电机和双PWM变换器构成发电系统，该系统由永磁同步发电机、电机侧变换器、直流侧电容和电网侧变换器构成。电机侧变换器的主要作用是控制发电机输出的有功功率以实现最大风能跟踪控制。由于直驱式永磁同步发电机多以低速运行，因此可采用多对极表贴式永磁同步发电机。目前针对该类电机常采用转子磁场定向的矢量控制技术，假设dq坐标系以同步速度旋转，且q轴超前于d轴，将d轴定位于转子永磁体的磁链方向上，可得到电机的定子电压方程为

式中　Rs、Ls——发电机的定子电阻和电感；

usd、usq、isd、isq——d、q轴定子电压和电流；

ωs——同步电角速度；

ψ——转子永磁体磁链。

其电磁转矩可表示为

式中　p——电机极对数。(www.xing528.com)

通常控制定子电流d轴分量为零，由式（7-11）可知，发电机电磁转矩仅与定子电流q轴分量有关。

通过对发电机电磁转矩的及时调节可实现对发电机电磁功率和输出有功功率的准确控制。因此，结合发电机的最佳风能跟踪控制原理，永磁同步发电机控制系统外环可采用有功功率的闭环PI控制，其调节输出量作为发电机定子电流的q轴分量给定；控制系统内环则分别实现定子d、q轴电流的闭环控制。

由式（7-10）可知，定子d、q轴电流除受控制电压usd和usq影响外，还受耦合电压-ωsLsisq和ωsLsisd、ωsψ的影响，因此对d、q轴电流可分别进行闭环PI调节控制，得到相应的控制电压和，并分别加上交叉耦合电压补偿项Δusd和Δusq，即可得到最终的d、q轴控制电压分量usd和usq，结合电机转子位置角θ和直流电容电压udc，经空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）可得到电机侧变换器所需的PWM驱动信号。图7-9给出了基于最佳功率给定的电机侧变换器功率、电流双闭环控制策略结构框图，图中ΔP=P0+PCus+PFes。由于要控制电网侧变换器来保持直流侧电压恒定，因此运行过程中直流侧电容的充放电功率变化很小，如果进一步忽略变换器的损耗，则可认为发电机输出的有功功率经双PWM变换器后全部馈入电网。因此，发电机输出的有功功率可通过间接测量网侧变换器馈入电网的有功功率Pg来近似获得。

图7-9　电机侧变换器控制框图

3.电网侧变换器控制策略

作为直驱永磁同步风力发电机与电网相连的重要组成部分，电网侧变换器的主要作用包括提供稳定的直流电容电压、实现网侧功率因数调整或并网无功功率控制。

电网侧变换器可工作于逆变和整流两种工作状态，从而灵活实现功率的双向流动。目前对于网侧变换器常采用电网电压定向的矢量控制技术。假设dq坐标系以同步速度旋转且q轴超前于d轴，将电网电压综合矢量定向在d轴上，电网电压在q轴上投影为0。dq坐标系下网侧变换器的有功功率和无功功率分别为

式中　egd、egq、igd、igq——电网电压和电流的d、q轴分量。

调节电流矢量在d、q轴的分量就可以控制变换器的有功功率和无功功率（功率因数）。调节变换器的有功功率可实现对双PWM变换器直流侧电压的稳定控制。因此，对网侧变换器可采用双闭环控制，外环为直流电压控制环，主要作用是稳定直流侧电压，其输出为网侧变换器的d轴电流给定量；内环为电流环，主要作用是跟踪电压外环输出的有功电流指令信号以及设定的无功电流指令信号，以实现快速的电流控制。这样既可保证发电机输出的有功功率能及时经网侧变换器馈入电网，又实现发电系统的无功控制。

网侧变换器在dq坐标系下的数学模型为

式中　Rg、Lg——网侧变换器进线电抗器的电阻和电感；

ugd和ugq——网侧变换器的d、q轴电压分量；

ωs——同步电角速度。

由式（7-13）可知，定子d、q轴电流除受控制电压ugd和ugq影响外，还受耦合电压ωgLgigq、-ωgLgigd以及电网电压egd的影响，因此，对d、q轴电流可分别进行闭环PI调节控制，得到相应的控制电压和，并分别加上交叉耦合电压补偿项Δugd和Δugq，即可得到最终的d、q轴控制电压分量ugd和ugq，结合电机转子位置角θg和直流电容电压udc，经空间矢量调制可得到电机侧变换器所需的PWM驱动信号。电网侧变换器的电压、电流双闭环控制策略结构框图如图7-10所示，图中和分别为直流设定电压和网侧设定无功功率。

图7-10　电网侧变换器控制框图