永磁直驱风电机组的AC/DC/AC变流器模型优化

永磁直驱风电机组的AC/DC/AC变流器由PWM整流器和逆变器组成，连接图同图2.4。

永磁直驱风电机组的AC/DC/AC变流器结构与双馈风电机组相同，但机侧变流器所采用的控制策略不同，目前常用的控制策略有两类：全功率基本控制策略和基于最大功率追踪的控制策略。直流侧电容器和网侧变流器的状态空间方程推导与双馈风电机组相同，见2.3.3节。

1.采用全功率基本控制策略的机侧变流器控制方程

机侧变流器的全功率基本控制策略是通过控制整流桥中的IGBT，将永磁同步发电机组的输出功率全部输送到后级的直流电容，控制策略如图2.14所示。q轴的电流控制为0，d轴的电流跟随永磁同步发电机组的电磁转矩而变化，实现机组的输出全部为有功功率，而无功输出为0。

图2.14　并网永磁直驱风电机组机侧控制策略

在每个PI环节前设中间状态变量xi（i＝1，2），则控制方程如式（2.124）至式（2.127）所示，ωe为发电机的电气角速度。

根据上述控制流程列写机侧控制器的状态空间方程如式（2.128）。

其中，ΔXGSR＝［Δx1，Δx2］T；ΔYGSR＝［Δudr，Δuqr］T；ΔuGSR＝［Δidr，Δiqr，ΔTe，Δωe］T；AGSR＝02×2；

2.采用全功率直接转矩控制策略的机侧变流器控制方程

风电机组中风力机的输出功率Pw可通过式（2.129）进行计算。

式中，Cp（λ，β）称为风能利用系数；称为叶尖速比，其中，ωw为风力机的角速度，R为风轮的半径，vw为风速；β为桨距角，设定为0°；ρ为空气的密度，取1.205 kg/m3；A＝πR2，为风轮扫过的面积。(https://www.xing528.com)

当桨距角为定值时，风能利用系数Cp主要取决于叶尖速比λ，如式（2.130）所示。

根据式（2.129）和式（2.130），不同风速下风力机的功率输出特性如图2.15所示，风速变化范围为4～12 m/s。在不同的风速下，风力机的最大输出功率如图2.15中块状点连接的曲线所示，可以发现不同的最大功率下所对应的最优运行角速度也随之改变。由于风电机组的额定功率为2 MW，当其输出功率高于2 MW时，通过变桨控制系统维持其额定的功率输出。

图2.15　风力机的功率输出特性

永磁直驱型风力发电机组机侧的整流器中通过加入MPPT控制，使得机组的功率输出运行在图2.15中的Pwmax曲线上，其控制策略如图2.16所示。

图2.16　基于MPPT的机侧整流器的控制框图

根据实时测得的风力机的转速，在Pwmax曲线上寻找对应的最大功率点，作为永磁同步发电机组输出功率的参考值Pw_ref。同时测量发电机端的输出电压和电流，进而计算实际的功率输出PG。将PG与Pw_ref之间的偏差PI环节调整后产生参考q轴的参考电流iqr_ref，iqr_ref与实际电流iqr的偏差经PI环节调整后可得到q轴的电压偏差，经PI环节修正后最终可得到q轴的参考电压uqr。同时，为了控制机组的功率因数，d轴的参考电流idr_ref设置为0。d轴的实际电流idr与idr_ref的偏差经PI环节调整后可产生d轴电压的偏差，经PI环节修正后可得d轴的参考电压udr。根据udr和uqr产生相应的SVPWM控制信号控制机侧整流器，使得风力发电机能够输出尽可能多的有功功率到整流器后级的直流环节。综上，发电机侧整流器的控制方程如式（2.131）至式（2.136）所示。

其中，idr_ref＝0。

根据上述控制流程列写机侧控制器的状态空间方程如式（2.137）所示。

其中，ΔXGSR＝［Δx1，Δx2，Δx3］T；ΔYGSR＝［Δudr，Δuqr］T；ΔuGSR＝［Δudr，Δuqr，Δidr，Δiqr，ΔPw_ref，Δωe］T；