變速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制
鄧秋玲1,2，黃守道2，肖鋒1
(1湖南工程學(xué)院，湖南湘潭411101；2湖南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410082)
摘要：闡述了變速風(fēng)電系統(tǒng)中直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制。發(fā)電機(jī)通過(guò)全功率控制的變-直-交電路連接到電網(wǎng)上，功率變換電路由脈寬調(diào)制(PWM)的整流器、中間直流電路環(huán)節(jié)、PWM逆變器組成�？刂瓢l(fā)電機(jī)在不同負(fù)載條件下從隨機(jī)變化的風(fēng)中最有效地獲得輸出功率。對(duì)網(wǎng)側(cè)逆變器采用矢量控制來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)電系統(tǒng)的功率因數(shù)。最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果證明了提出的系統(tǒng)的有效性。
關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機(jī)；風(fēng)能；功率變換器；直接驅(qū)動(dòng)
中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)06—0051—04
0引言
目前風(fēng)力發(fā)電是再生能源發(fā)電技術(shù)中增長(zhǎng)最快的一種，到2020年，其發(fā)電量將占全世界發(fā)電量的百分之12。由于風(fēng)力的特性，無(wú)需供給燃料，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本要求是從隨機(jī)變化的風(fēng)中獲得****能量。在一些文獻(xiàn)中闡述了運(yùn)行在變速恒頻模式的風(fēng)輪采用****功率吸取算法所產(chǎn)生的電功率比傳統(tǒng)的恒壓恒頻控制要多出百分之9～百分之11。
傳統(tǒng)的風(fēng)力系統(tǒng)在風(fēng)輪機(jī)和發(fā)電機(jī)之間存在齒輪箱，齒輪箱的存在會(huì)產(chǎn)生機(jī)械故障和增加維護(hù)費(fèi)用。為了提高系統(tǒng)可靠性和降低維護(hù)費(fèi)用，取消齒輪箱，用永磁體代替同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于永磁材料磁性能的改善和價(jià)格的降低，永磁勵(lì)磁發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相比，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，極距減小，轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)得較低(20～200 r／min)，取決于發(fā)電機(jī)的額定功率。
本文采用變速直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSG)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)通過(guò)全功率控制的交-直-交電路連接到電網(wǎng)上，這個(gè)功率變換電路由PWM整流器、中間直流電路環(huán)節(jié)和PWM逆變器組成。文中闡述了PMSG風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果證明了提出的系統(tǒng)的有效性。
1 PMSG系統(tǒng)組成
1．1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成
PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。永磁同步發(fā)電機(jī)直接與風(fēng)輪機(jī)相連接，再通過(guò)全功率控制的變-直-交電路連接到電網(wǎng)上，功率變換電路由整流器、直流電路環(huán)節(jié)、逆變器組成。發(fā)電機(jī)首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率和幅值變化的交流電，經(jīng)過(guò)整流之后變?yōu)橹绷鳎缓蠼?jīng)過(guò)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(wǎng)。
1．2交-直-交變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的交-直-交變換電路可以有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的控制方法會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(wú)功補(bǔ)償；
(2)不控制整流后接直流側(cè)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(cè)電壓穩(wěn)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)越來(lái)越多，系統(tǒng)原理圖如圖2所示。它由PwM整流器、直流電路環(huán)節(jié)和PwM逆變器組成。PwM整流器的作用是將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電變換成直流電，提供一個(gè)可供****功率跟蹤算法使用的功率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)****功率控制。對(duì)PwM變換器施加矢量控制，實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦，以便提供所要求的無(wú)功功率，并且能傳輸所有的有功功率。通過(guò)解耦控制，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的****轉(zhuǎn)矩、****效率、最小損耗控制。
2發(fā)電機(jī)與電力電子變換器的控制
2.1發(fā)電機(jī)側(cè)變換器(PWM整流器)的控制
(1)永磁同步發(fā)電機(jī)的模型
永磁同步發(fā)電機(jī)在由同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型[3]為：
式中：R s為發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)定子角頻率 |
