基于混合勵磁電機的直驅式風電系統
葉斌英， 阮毅， 楊 勇， 湯燕燕
(上海大學機電工程與自動化學院，上海200072)
摘要：介紹了一種新型的基于混合勵磁同步發電機的直驅式風力發電系統：針對混合勵磁直驅式風力發電系統的特點，提出了一種新的控制策略，實現了****風能跟蹤。在同步旋轉坐標系建立了混合勵磁同步發電機和三相并網逆變器的數學模型，通過控制混合勵磁司步電機的勵磁電流來穩定三相并網逆變器的直流母線電壓，并通過控制混合勵磁同步發電機的轉速來實現****風能跟蹤。網側變換器采用電網電壓定向的矢量控制，實現了軸電流解耦控制。仿真結果表明：陔控制策略使二相并網逆變器有良好的動、靜態性能，且實現r風能的****跟蹤。
關鍵詞：****風能跟蹤；直驅式風力發電系統；混合勵磁
中圖分類號：TM 301 2文獻標志碼：A文章編號：1673—6540(2010)05-0001-06
極同步電機的直驅式風力發電系統結合電力電子裝置，發電機可以在低速下發電運行，省去了齒輪箱，該系統已成為近年的研究熱點[5-9]。
****風能跟蹤是風力發電的基本問題。在一定的風速下，存在一個****的發電機轉速使得系統捕獲的風能****。對于直驅式風力發電系統，文獻[10]分析了典型的基J：永磁同步電機(Per-manent Magnet Svncllronous M0tor，PMsM)的矢量控制并網系統結構和****風能跟蹤方法，利用可控的整流橋、逆變橋分別控制機側以獲取****風能和網側并網逆變，通過直流母線進行聯系，可以實現并網逆變和****風能跟蹤的目的，但存在著需要兩套大功率變流器的缺點。文獻[11]提出了不添加整流橋實現****風能跟蹤的控制方法，使系統更加穩定，但是控制方法復雜。文獻[12]和文獻[13]各自提出了在直流母線上添加B00sT電路進行****風能跟蹤的方法，擁有良好的跟蹤性能，但是B00sT電路限制了系統的功率。由于水磁電機本身勵磁不可控，為了達到捕獲****風能的目的，上面提到的這些基于PMSM的****風能跟蹤方法都需要在主電路上添加電力電子裝置，輔助實現****風能跟蹤。近年，廣受各國學者關注的混合勵磁同步電機[14-16](HvbirdExcit時ion synchmnous Motor，HEsM)在永磁體勵磁的基礎上添加了電勵磁，同時具有電勵磁同步電機和PMSM優點，在變速或負載不穩定的發電場合通過調節勵磁電流即可提供恒壓電源。如果在直驅式風力發電系統中，利用HESM替代PMSM，通過混合勵磁電機的電勵磁協調控制直流母線電壓，可省去一部分大功率電力電子裝置，同時達到****風能跟蹤的目的。
本文推導了HESM和并網逆變器的數學模型，并在此基礎上給出了本文所采用的系統結構模型，以及相應的****風能跟蹤策略，最后通過仿真驗證了該系統結構的正確性。
l 數學模型
1．1 HESM數學模型
本文介紹的風力發電并網系統采用的HESM結構如圖l所示：裝在定子上的直流勵磁線圈首先在旋轉的轉子t感應出交流勵磁電流，該交流電又經過轉子上的整流器得到直流電，該直流電與裝在轉子上的永磁體一起產生勵磁作用，再安裝在定子上的主繞組中感應出電動勢。
雖然HESM結構比較特殊，但從電磁關系的角度來看，HESM與普通PMSM相比，僅多了一個可以淵節電流的勵磁繞組。網此，仍然可以采用由坐標系來分析HEsM。由于定子坐標系下的HEsM方程式是一組與轉子瞬時位置有關的非線性微分方程式，只能采用與轉子同步轉速旋轉的由坐標軸系統的變換來消除微分方程中的這種非線性關系。取由定子繞組端點流入電機中心點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磁繞組的磁鏈方程式為  式中：Lmd，Lmq——直軸和交軸電感；
Msf——勵磁繞組與電樞繞組互感的幅值；
Lmf——勵磁繞組自感；
Ψpm——永磁體匝鏈電樞繞組的磁鏈幅值。
根據電壓方程，經推導得電流微分方程為
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