变速风力永磁同步发电机的一新控制方案.doc

工业应用汇刊，46卷1 , 一月/二月2010 5变速风力永磁同步发电机的一新控制方案Md. Enamul Haque 美国电气和电子工程师协会 会员； Michael Negnevitsky 美国电气和电子工程师协会 高级会员； Kashem M. Muttaqi 美国电气和电子工程师协会 高级会员摘要这篇论文提出了变速风力永磁同步发电机的一种新的控制方案。该发电机侧转换器控制策略附有最大功率获得方法。独立控制的特点是输出电压和频率控制器，能够处理可变负载。潜在过剩的功率消耗由卸载电阻斩波控制，以及保持直流侧电压。介绍动态曲线的直流母线和小信号分析。仿真结果表明，该控制器可以根据不同风速和负载条件调节电压和频率，以提取最大功率。该控制器具有良好的动态和稳态性能。索引术语：最大功率获得，永磁同步发电机（PMSG），切换式整流器，变速风力发电，电压和频率的控制。1 绪论变速风力发电机组较定速具有许多优势，例如增加能量获得、运行在最大功率点、提高效率和电能质量1。然而，存在一个连结风力机和发电机的变速箱造成的问题。变速箱会出现故障，需要定期维护2。利用直驱永磁同步发电机（PMSG），变速风力机的可靠性可明显改善。永磁同步发电机在风能应用已获得很大的重视，因为他们的自激性能，它能够运行在高功率因数、高效率 3。使用永磁转子的就不必通过定子供应磁化电流，因为恒气隙磁通；定子电流只需要由磁场产生。因此，在相同的输出功率下，永磁同步发电机由于没有磁化电流将运行在一个较高的功率因数下，将会更有效率。为了从脉动风中获得最大功率，风力发电的变速运行是必要的。这需要为发电机采取一种复杂的控制策略。在4-8，最佳功率/转矩跟踪是一种常用的控制策略，因为它有助于实现最佳风能利用。其中的一些控制策略根据风速获得所需的轴转速，来改变发电机的转速。然而，风速控制策略将增加成本和降低了整个系统的可靠性。这些控制策略对于一个小型风力发电机来说是不适合或太昂贵了。在7，通过控制一个内置式永磁同步发电机的电流矢量，来优化系统在不同的风速下运行，这需要六个主动开关控制。在9-10开关式整流器已经被研究用于自励交流永磁同步状态机。在11-12，开关式整流器被研究用于小规模的变速风力机。一种发电机侧转换器的控制策略，为小型风力永磁同步发电机的输出最大化，已经被研制。通过发电机侧开关整流器的控制，达到从风力中获得最大功率。该方法只需要一个有源开关装置绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，是用来控制发电机的转矩以获取最大功率的装置。对于小型风力发电机而言，这是一个简单和低成本的解决方案。对于一个独立的系统，负载转换器的输出电压就幅度和频率已被控制在限定值内。以往的出版物涉及变速风力永磁同步发电机大多集中于并网系统 6 8 ，对于独立系统尚未付出足够重视。许多国家拥有丰富的可再生能源资源，然而，它们都位于偏远地区，并网系统对于他们不适用。在当地，小规模独立的分布式发电系统可以利用这些可再生能源，而并网时是不可行的。在本文中，独立系统中控制负载电压的控制策略将被研究。在一个独立的系统由于没有网络，输出电压的幅度和频率被限制在一定范围内。负载侧脉宽调制（脉宽调制）逆变器用一个相对复杂的矢量控制方案，控制逆变器输出电压的幅度和频率。独立控制的特色是输出电压和频率控制器能处理可变负载。负载电阻转储控制器是用来消除多余的电能，在故障或输出过量时。过剩的功率消耗在空载随着斩波控制的电阻器，以及直流侧电压的保持。2 风力机的特性风力机组的发电量（能量由转子提供）表示为： （1）其中是空气密度（kg/m）；是风速（m/s）；A是叶轮扫过的面积；是风力机转子动力系数，是关于叶轮速率和俯仰角的函数关系；是风力机转子转速（rad/s），R是叶轮半径。风力机的性能系数受叶轮速率的影响，表示为： （2）风力机可以产生最大功率当运行在最大（即在）。因此，有必要保持转子在一个最佳值的叶轮速率。如果风速变化时，转子的速度要调整跟着改变。风力机的最佳功率可以表示为： （3）其中 （4） （5）因此，最佳转矩可以表示为： （6） 风力机转子转速在不同风速时变化见图表1。最佳功率也显示在图表1中。最佳功率曲线显示了可以从变动风速中获得的最大能量。控制器的作用是在风速变动是保持风力机工作在已知曲线范围中。根据已知曲线对于任何风速总有一个与之匹配的转子转速可以得到最佳功率。如果控制器可以控制使之工作在最优曲线，风力机将在允许范围内不同风速中产生最佳功率。可由式子（6）计算出最佳转矩。电机转速低于额定转速，可由式（6）计算。图表1、风力机风速-转子转速曲线3 系统概述图表2显示一独立变速风力永磁同步发电机的控制系统，它包含一风力发电机、一永磁同步发电机、三相单开关切换式整流器和一个矢量脉宽调整型逆变器。变速风力永磁同步发电机的输出不适合用于由于变化风速引起的变动的振幅和频率的情况。一个恒定的直流电压是必需的，其用于直接使用、储存或通过逆变器转换为交流电。在本文中，三相单开关切换式整流器是用来在发电机输出通过逆变器转换为交流电压之前，将发电机输出转换为电压恒定的直流电压。三相单开关切换式整流器由一个三相二极管整流桥和直流到直流转换器组成。切换式整流器的输出可以通过控制有源开关的占空比来控制（类似晶闸管），在任何风速下，从风力机提取最大功率以及供应负荷。矢量控制逆变器是在负载或风速的变化之时，用来调节输出电压和频率的。由于风速突然下降的压降可以从储能系统得到补偿。在强风时，控制器将被激活来调节直流电压维持输出负载电压在期望值。图表2、独立永磁变速风力机的控制结构图表3、切换式整流器的控制系统。4 控制开关整流器提取最大功率控制策略所提到的开关整流器的结构显示在图表3。控制目标是控制在图表2中开关S的占空比，以提取从变速风力发电机得到的最大功率和传递到负载的功率。控制方法包括以下步骤。1)测量发电机转速;2)确定参数转矩（图表4），用下列方程式： （7）3)转矩用于计算直流电流通过测量整流输出电压： (8)4)参考直流电流和测量直流电流的差值是用来改变开关占空比，经由比例积分控制器以调节开关整流器的输出和发电机的转矩。图表4、发电机转矩转速曲线 发电机转矩根据发电机的转速控制在最佳曲线如图表4所示。发电机的加速或减速是由不同的转矩和转矩确定的。如果发电机速度小于最佳速度，叶轮的转矩大于发电机转矩，发电机将加速。发电机将减慢如果发电机的转速高于最佳速度。因此，在任何风速，叶轮和发电机转矩稳定在最佳点 ，风力机被调整在最大功率点。例如（考虑图1），如果永磁同步发电机运行在点“a