變速直驅永磁同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)的控制
鄧秋玲1,2，黃守道2，肖鋒1
(1湖南工程學院，湖南湘潭411101；2湖南大學，湖南長沙410082)
摘要：闡述了變速風電系統(tǒng)中直驅永磁同步發(fā)電機的運行控制。發(fā)電機通過全功率控制的變-直-交電路連接到電網(wǎng)上，功率變換電路由脈寬調制(PWM)的整流器、中間直流電路環(huán)節(jié)、PWM逆變器組成。控制發(fā)電機在不同負載條件下從隨機變化的風中最有效地獲得輸出功率。對網(wǎng)側逆變器采用矢量控制來調節(jié)風電系統(tǒng)的功率因數(shù)。最后對系統(tǒng)進行了仿真，仿真結果證明了提出的系統(tǒng)的有效性。
關鍵詞：永磁同步發(fā)電機；風能；功率變換器；直接驅動
中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)06—0051—04
0引言
目前風力發(fā)電是再生能源發(fā)電技術中增長最快的一種，到2020年，其發(fā)電量將占全世界發(fā)電量的百分之12。由于風力的特性，無需供給燃料，風力發(fā)電系統(tǒng)的基本要求是從隨機變化的風中獲得****能量。在一些文獻中闡述了運行在變速恒頻模式的風輪采用****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)的風力系統(tǒng)在風輪機和發(fā)電機之間存在齒輪箱，齒輪箱的存在會產(chǎn)生機械故障和增加維護費用。為了提高系統(tǒng)可靠性和降低維護費用，取消齒輪箱，用永磁體代替同步電機的勵磁繞組。由于永磁材料磁性能的改善和價格的降低，永磁勵磁發(fā)電機與傳統(tǒng)發(fā)電機相比，還具有結構簡單、效率高等優(yōu)點，極距減小，轉速可以設計得較低(20～200 r／min)，取決于發(fā)電機的額定功率。
本文采用變速直驅永磁同步發(fā)電機(以下簡稱PMSG)風力發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機通過全功率控制的交-直-交電路連接到電網(wǎng)上，這個功率變換電路由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風電系統(tǒng)的運行控制，對系統(tǒng)進行了仿真，仿真結果證明了提出的系統(tǒng)的有效性。
1 PMSG系統(tǒng)組成
1．1風力發(fā)電系統(tǒng)的組成
PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。永磁同步發(fā)電機直接與風輪機相連接，再通過全功率控制的變-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)電機首先將風能轉化為頻率和幅值變化的交流電，經(jīng)過整流之后變?yōu)橹绷鳎缓蠼?jīng)過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-交變換電路的拓撲結構
風力發(fā)電系統(tǒng)中的交-直-交變換電路可以有不同的拓撲結構。對于不同的結構，系統(tǒng)的控制方法會相應的發(fā)生變化。風力發(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功補償；
(2)不控制整流后接直流側電壓變化的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風力發(fā)電系統(tǒng)越來越多，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)電機發(fā)出的交流電變換成直流電，提供一個可供****功率跟蹤算法使用的功率信號，實現(xiàn)****功率控制。對PwM變換器施加矢量控制，實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦，以便提供所要求的無功功率，并且能傳輸所有的有功功率。通過解耦控制，發(fā)電機轉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，實現(xiàn)對電機的****轉矩、****效率、最小損耗控制。
2發(fā)電機與電力電子變換器的控制
2.1發(fā)電機側變換器(PWM整流器)的控制
(1)永磁同步發(fā)電機的模型
永磁同步發(fā)電機在由同步旋轉坐標系中的數(shù)學模型[3]為：
式中：R s為發(fā)電機每相繞組電阻，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)電機定子角頻率 |
