基于混合勵(lì)磁電機(jī)的直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)
葉斌英， 阮毅， 楊 勇， 湯燕燕
(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)
摘要：介紹了一種新型的基于混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：針對混合勵(lì)磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種新的控制策略，實(shí)現(xiàn)了****風(fēng)能跟蹤。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系建立了混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)和三相并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，通過控制混合勵(lì)磁司步電機(jī)的勵(lì)磁電流來穩(wěn)定三相并網(wǎng)逆變器的直流母線電壓，并通過控制混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)****風(fēng)能跟蹤。網(wǎng)側(cè)變換器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，實(shí)現(xiàn)了軸電流解耦控制。仿真結(jié)果表明：陔控制策略使二相并網(wǎng)逆變器有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，且實(shí)現(xiàn)r風(fēng)能的****跟蹤。
關(guān)鍵詞：****風(fēng)能跟蹤；直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；混合勵(lì)磁
中圖分類號：TM 301 2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673—6540(2010)05-0001-06
極同步電機(jī)的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合電力電子裝置，發(fā)電機(jī)可以在低速下發(fā)電運(yùn)行，省去了齒輪箱，該系統(tǒng)已成為近年的研究熱點(diǎn)[5-9]。
****風(fēng)能跟蹤是風(fēng)力發(fā)電的基本問題。在一定的風(fēng)速下，存在一個(gè)****的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使得系統(tǒng)捕獲的風(fēng)能****。對于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，文獻(xiàn)[10]分析了典型的基J：永磁同步電機(jī)(Per-manent Magnet Svncllronous M0tor，PMsM)的矢量控制并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和****風(fēng)能跟蹤方法，利用可控的整流橋、逆變橋分別控制機(jī)側(cè)以獲取****風(fēng)能和網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變，通過直流母線進(jìn)行聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變和****風(fēng)能跟蹤的目的，但存在著需要兩套大功率變流器的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[11]提出了不添加整流橋?qū)崿F(xiàn)****風(fēng)能跟蹤的控制方法，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但是控制方法復(fù)雜。文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]各自提出了在直流母線上添加B00sT電路進(jìn)行****風(fēng)能跟蹤的方法，擁有良好的跟蹤性能，但是B00sT電路限制了系統(tǒng)的功率。由于水磁電機(jī)本身勵(lì)磁不可控，為了達(dá)到捕獲****風(fēng)能的目的，上面提到的這些基于PMSM的****風(fēng)能跟蹤方法都需要在主電路上添加電力電子裝置，輔助實(shí)現(xiàn)****風(fēng)能跟蹤。近年，廣受各國學(xué)者關(guān)注的混合勵(lì)磁同步電機(jī)[14-16](HvbirdExcit時(shí)ion synchmnous Motor，HEsM)在永磁體勵(lì)磁的基礎(chǔ)上添加了電勵(lì)磁，同時(shí)具有電勵(lì)磁同步電機(jī)和PMSM優(yōu)點(diǎn)，在變速或負(fù)載不穩(wěn)定的發(fā)電場合通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流即可提供恒壓電源。如果在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，利用HESM替代PMSM，通過混合勵(lì)磁電機(jī)的電勵(lì)磁協(xié)調(diào)控制直流母線電壓，可省去一部分大功率電力電子裝置，同時(shí)達(dá)到****風(fēng)能跟蹤的目的。
本文推導(dǎo)了HESM和并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上給出了本文所采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，以及相應(yīng)的****風(fēng)能跟蹤策略，最后通過仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正確性。
l 數(shù)學(xué)模型
1．1 HESM數(shù)學(xué)模型
本文介紹的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)采用的HESM結(jié)構(gòu)如圖l所示：裝在定子上的直流勵(lì)磁線圈首先在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子t感應(yīng)出交流勵(lì)磁電流，該交流電又經(jīng)過轉(zhuǎn)子上的整流器得到直流電，該直流電與裝在轉(zhuǎn)子上的永磁體一起產(chǎn)生勵(lì)磁作用，再安裝在定子上的主繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢。
雖然HESM結(jié)構(gòu)比較特殊，但從電磁關(guān)系的角度來看，HESM與普通PMSM相比，僅多了一個(gè)可以淵節(jié)電流的勵(lì)磁繞組。網(wǎng)此，仍然可以采用由坐標(biāo)系來分析HEsM。由于定子坐標(biāo)系下的HEsM方程式是一組與轉(zhuǎn)子瞬時(shí)位置有關(guān)的非線性微分方程式，只能采用與轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的由坐標(biāo)軸系統(tǒng)的變換來消除微分方程中的這種非線性關(guān)系。取由定子繞組端點(diǎn)流入電機(jī)中心點(diǎn)方向作為定子各相電流的參考正方向，繞組磁鏈中和電流。的正方向符合右手螺旋法則，永磁體產(chǎn)生的主極磁通方向取為d軸的正方向，q軸超前d軸正方向90。電角度。由此可得到電樞繞組和勵(lì)磁繞組的磁鏈方程式為  式中：Lmd，Lmq——直軸和交軸電感；
Msf——?jiǎng)?lì)磁繞組與電樞繞組互感的幅值；
Lmf——?jiǎng)?lì)磁繞組自感；
Ψpm——永磁體匝鏈電樞繞組的磁鏈幅值。
根據(jù)電壓方程，經(jīng)推導(dǎo)得電流微分方程為
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