变速直驱永磁风力发电机控制系统的研究

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辅机及其他

变速直驱永磁风力发电机控制系统的研究

吴 迪，张建文

(上海交通大学，上海 200030)

[摘 要] 在直驱永磁风力发电系统中，永磁发电机的输出电压的幅值和频率随风速的波动而变化，不可直接并网。根据风力机运行特性和最佳风能利用原理，本文设计了由不可控AC/DC整流器和可控DC/AC逆变器组成的控制系统，通过控制逆变器的输出电压或电流实时跟踪给定值，来控制永磁发电机电磁转矩，实现最大风能的获取和无功功率可调。本文在理论上分析了方案的可行性，并搭建了基于DSPTMS320LF2407的实验室硬件平台。

[关键词] 风力发电；变速风力机；永磁同步发电机；最大风能获取；DSP；IPM [中图分类号] TM614 [文献标识码] A [文章编号] 1000-3983(2006)06-0051-05

Control System of Variable-speed Permanent-magnet Generator

Directly Driven by Wind Turbine WU Di，ZHANG Jian-wen

(Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China)

Abstract：The electric power from the permanent magnet generators direct driven by wind turbine can not be utilized by connecting the generator to the grid directly since the voltage and the frequency of the generator will change when the wind speed changes. Based on the performance characteristic of the turbine shaft and principle of optimum utilization of wind-energy, this paper discusses a control system composed of an uncontrollable AC/DC converter and a controllable DC/AC inverter. In order to achieve maximum energy capture and controllable reactive power, the opposing reaction torque of the generator is controlled by adjusting the AC voltage or current of the inverter to track the reference signal. This paper also analyzes the feasibility of the control method in theory and designs the typical experimental system based on DSPTMS320LF2407 for permanent-magnet generator direct driven by wind turbine.

Key words：wind power generation；variable speed wind turbine；permanent magnet synchronous generator；maximum energy capture；DSP；IPM

1 引言

目前存在的风力发电机组有恒速恒频和变速恒频两种类型。文献[1]中详细介绍了恒速恒频与变速恒频风力发电机组，并对两种类型的机组性能进行了比较。恒速恒频风力发电机组无法有效地利用不同风速时的风能，而变速恒频风力发电机组可以在很大的风速范围内工作，更有效地利用风能。文献[2]中介绍几种变速恒频风力发电系统控制方案，并进行了对比。其中技术比较成熟，并且在国外已经投入使用的是双馈风力发电机组。但是低风速下的风轮机转速也很低，直接用风轮机带动双馈电机转子将满足不了双馈发电机

对转子转速的要求，必须引入齿轮箱升速后，再同双馈发电机转子连接进行风力发电。然而齿轮箱随着发电机组功率等级的升高，成本变的很高，且易出现故障，需要经常维护，可靠行差；当低负荷运行时，效率低；同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要因素。在大力开展风能利用的今天，风力发电机组的发电量正在不断增加，对风力发电机组可靠性和效率要求也在不断提高，齿轮箱的存在严重限制了风力发电的发展。直驱永磁风力发电系统就是在这种情况下出现的。应用于风力发电的永磁同步发电机采取特殊的设计方案，其较多的极对数使得在转子转速较低时，发电机仍然可以工作，因而在直驱永磁同

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步风力发电系统当中使风轮机与永磁同步发电机转子直接耦合，省去齿轮箱，提高了效率，减少了发电机的维护工作，并且降低了噪音。另外直驱永磁风力发电系统不需要电励磁装置，具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。同时，随着电力电子技术和永磁材料的发展，在直驱永磁风力发电系统中，占成本比例相对较高的开关器件（IGBT等）和永磁体，在其性能不断提高的同时，成本也正在不断下降，使得直驱永磁风力发电系统从众多变速恒频风力发电系统中脱颖而出，具有很好的发展前景。

2 最大风能追踪控制原理

根据贝兹理论，风力机的功率与风速的三次方成正

比，即：

P=1

2

ρACpν3 （1）

λ=ωR/v=πRn/(30v) （2） 式中：ρ——空气密度，kg/m3；

v——风速，m/s；

A——风力机扫掠面积，m2； Cp——风力机输出功率系数（一般Cp＝1/3~2/5，

最大可达16/27＝0.59），它是浆叶尖速度与风速之比λ和桨叶节距角α的函数；

ω——风力机机械角速度； R——风轮半径。

CCpp λλoptopt λλ 图1 风力机Cp－λ关系曲线

当α保持不变时，风力机输出功率系数Cp将仅由

浆叶尖速度与风速之比λ决定。图1为风力机Cp-λ关系曲线。可以看出，对于一台确定的风力机，浆叶不变时节距角不变，总有一个对应着最佳功率系数Cpmax的最佳叶尖速比λopt，此时风力机转换效率最高。这时需要始终保持λ＝λopt，那么风力机的转速将与风速一一对应。对于一个特定的风速v，风力机只有运行在一个特定的转速ωm下才会有最高的风能转换效率。将各个风速下的最大功率点连成线，即可得到所要的模拟

的最佳功率曲线，如图2所示。风力机获得最佳功率与转速的关系式如下：

P3max=kn （3）

式中：k=ρA(R/λopt)3Cpmax/2。

图2是一组在不同风速（v1>v2>v3）下风力机的输出功率特性，Popt曲线是各风速下最大输出功率点的连线，即最佳功率曲线。从中可以看出在同一个风速下，不同转速会使风力机输出不同的功率，要想追踪Popt曲线，保持最佳叶尖比，即最大限度地获得风能，就必须在风速变化时及时调节风轮机的转速n（在直驱永磁风力发电系统中，即为发电机的转速），这就是变速恒频发电技术的主要思想。

PP最佳功率曲线最佳功率曲线vV11 vvV22 V33nn33nn22n1n1 nn

图2 不同风速下功率曲线及最佳功率曲线图

通过变速恒频发电技术，理论上可以使风力发电

机组在输出功率低于额定功率之前，输出最佳功率，效率最高。在达到额定功率以后保持额定功率不变。如图3所示。

PpP额定NnNnn 图3 变速恒频风力发电系统功率曲线

最大功率输出工作方式：额定风速以下风力机按优化桨距角定浆距运行，由变频器控制系统来控制转速，调节风力机叶尖速比，从而实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获。

恒功率输出工作方式：在额定风速以上风力机变浆距运行，由风力机控制系统通过调节节距角来改变风能系数，从而控制风电机组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事

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故。

在大部分时间里，风场中风速较低，因而额定风速以下运行时变速恒频发电运行的主要工作方式，也是经济高效的运行方式，这种情况下变速恒频的风力发电系统控制目标就是追踪捕获最大风能，直驱永磁同步发电系统的控制策略也主要是针对这一目标提出来的。

3 控制策略

3.1 系统描述

直驱永磁风力发电系统示意图如图4所示。变桨距风轮机直接耦合永磁同步发电机的转子，发电机输出由不可控整流后，由电容滤波，再经逆变器将能量馈送给电网。由于采用不可控整流，所以恒压恒频输出的任务完全通过逆变器完成。同时，当风速低于额定风速时，还必须通过控制逆变器来控制发电机转速，使叶尖速比保持在最优值。因而逆变器的控制策略是我们研究的重点。

风轮 风轮永磁同步永磁同步 发电机发电机 整流模块 整流模块逆变模块 逆变模块电网电网 图4 直驱永磁同步发电系统示意图

3.2 以控制直流电压为目标的控制方案

以控制直流电压为目标的控制方案目前研究的比较成熟。通过控制直流电压来控制发电机转速，进而获得最大风能。因为发电机的转速（即风轮的转速）是由原动力的转矩和发电机的电磁转矩决定，只要根据原动力的转矩控制好发电机的电磁转矩就可以控制转速。控制发电机整流后的电压和电流可以改变发电机的输出电流，即改变电磁转矩。当直驱永磁风力发电系统应用的环境和选用的发电机确定后，风场和发电机的特性是确定的，所以可以根据已知的风场特性和选用的发电机的特性，得到功率、直流电压和直流电流和转速对应的最佳工作曲线[3]

，

如图5所示。运行于该曲线上的直驱永磁发电系统在额定功率前，可以最大限度地利用风能。不难发现风场特性决定的转速对应的功率情况，因而以直流电压为控制信号，通过调节逆变器来实现对直流电压的控制，从而控制转速，

获得最优叶尖速比。这便是比较常用的控制方案的基本思想。文献[4]中提出了基于该思想的控制方案。

P Ud Id额定功率、额定功率、电压、电流电压、电流流电和压电流直、率功 发电机转速额定转速额定n功率功率P 转速n电压电压Ud 电流电流Id

图5 最佳功率获取曲线

3.3 以控制逆变器电压电流为目标的控制策略

3.2中方法是以直流电压这一间接量为控制目标及反馈信号，而我们希望的是在获得最大风能的同时获得更好的并网电压和电流的波形。如果可以根据最大功率曲线确定逆变器输出的电网电压和电流曲线，

调节逆变器输出电压、电流，跟踪这一理想电压电流曲线，不但能使发电机最大限度地获得风能，同时还可以抑制电网电压波动，减少注入电网电流谐波。

考虑到需要并入的电网电压已知，逆变器输出电压的频率、幅值和相位跟踪电网电压（或者当考虑变压器和电网的电感时，逆变器输出电压和电网电压存在一定的向量关系[3,5]），无论何种情况，对于已知的电网电压，都可以得到需要逆变器实现的输出电压每相的波形。为了便于分析和叙述，认为要求逆变器输出各相电压跟踪电网电压波形（不考虑变压器变比）。

(1)在并网前，当风速和电机速度不断变化时，此时逆变器并不以获得最大风能为控制目标，而是希望逆变器输出各相电压跟踪电网各相电压为控制目标进行工作。用电压传感器检测电网和发电机电压的频率、幅值和相序，采用闭环PI控制，电网电压采样信号Vref和逆变器输出电压信号Vreal比较后产生控制波，再与三角载波信号比较，产生各桥臂的PWM控制信号来控制逆变器的各桥臂导通和关断（如图6(a)所示）。当检测到两端电压完全一致时，满足并网条件后并网。

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触发信号触发信号 + ++ +VrefVref—- —- VVrealreal

(a) 逆变器电压跟踪电网电压

触发信号触发信号 ++ ++ irefirefi—- - reali—real

(b) 逆变器电流跟踪理想电流

图6 PWM触发信号获取方法

(2)并网后，设定逆变器输出电压跟踪电网电压，此时逆变器应该以获得最大风能为控制目标进行工作。通过本文第2部分的分析和图5中的功率曲线可以推出，对应于每个转速n，风力机原动力有最大功率输出P3

max=kn，去掉功率在发电系统传输过程中的损耗ΔP（ΔP根据实际控制的永磁直驱风力发电系统可粗略确定，包括部分机械损耗和发电机损耗），得到发电系统馈入电网的有功功率P∗

=Pmax−ΔP。因而我们不需要过多计算和考虑直流母线上的电压和电流情况，只需要通过控制逆变器馈入电网电流的频率，幅值和相位，使馈入的有功功率跟踪指令P∗

，就能实现对发电机转速控制，保持最优叶尖速比，从而获得最大风能。逆变器的输出电流的频率、幅值和相序控制类似于上边介绍的逆变器输出电压的控制，不过首先要确定需要逆变器输出的电流波形。①根据电网电压频率确定逆变器馈入电网电流的频率；②根据发电机

不同转速下的有功功率指令P∗

和电网电压的的幅值确定逆变器馈入电网电流的幅值；③根据要求的功率因数和电网电压的相位确定逆变器馈入电网电流的相位。这样就可以得到满足最大功率获得和功率因数要

求的逆变器输出电流的波形。类似上边介绍的控制逆变器输出电压的方法，实现对电流的控制，PWM控制信号产生过程如图6(b)所示。

另外，通过以上分析不难看出，要实现的逆变器输出电流波形是根据转速对应的最大功率和电网电压波形得到的，而不同转速对应的有功功率完全是由风

场情况决定，如果可以使逆变器输出电流波形严格跟踪上面得到电流波形，那么逆变器的输出电压此时也很好地跟踪了电网的电压。

(3)在高风速下，逆变器已经达到额定功率，靠调节桨距降低Cp，减少从风中捕获的机械能量。同时闭环控制保持逆变器输出电流不变，从而保持转速不变和额定最大输出功率。

3.4 DC－DC升压电路引入的必要性

为了最大限度地利用风能，使直驱永磁发电系统工作在一个较宽的风速范围内——即使发电系统在较低的风速时也可以工作，必须引入DC－DC boost升压电路。由于永磁同步发电机输出电压有效值近似正比于发电机的转速，因而经过不可控整流后，直流电压值和转速也近似成正比（图5中直流电压和转速曲线也说明了这点），因此当风速较低时，直流电压会很低；然而风力发电系统对逆变器的输出电压幅值是有一定要求的，这样过低的直流电压将引起电压源逆变器无法完成有源逆变过程，进而无法将功率馈入电网。同时如果没有DC－DC电路升压，也会使系统消耗较高的无功功率，引起电网电压波动[3]。所以需要引入升压电路，并使该电路在一定输入范围内保持输出电压恒定，具体分析可参考文献[6]。 3.5 实验室试验系统的基本组成

直驱永磁风力发电控制模拟试验系统框图如图7所示。由直流电动机模拟风力机带动永磁同步发电机发电，经三相不可控整流后，由DC-DC电路完成升压，再采用电压源逆变器进行逆变。

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DC-DC控制板控制板DC-DC电压采样模块电压采样模块永磁同步发电机 永磁同步发电机直流电动机控制板测速 测速模块 模块三相 三相整整流桥流桥 DC-DCDC-DCboostboost该系统由永磁同步发电机、直流拖动电动机、光

电编码器（或测速发电机）、直流电动机控制板、DC－DC控制板、DSPTMS320LF2407、整流模块、IPM、IPM驱动电路、电流电压传感器、负载等组成。将直流电动机与一台永磁同步发电机（若无可用电励磁同步发电机代替，保持励磁不变）相连来，使电动机模拟风能特性运行（具体方法见文献[7]），以用于直驱永磁风力发电系统最大限度得获得风能的研究。

直流电动机控制板 IPMIPM电网电网U UPWMPWM控制口控制口电压电 电压电流采样 流采样直流电动机 直流电动机DSPDSPADAD调理电路 调理电路

图7 直驱永磁风力发电实验系统

variable-speed, permanent-magnet generators[J].

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[收稿日期] 2005-10-19

4 结语

本文分析了风力机运行特性及其最佳风能利用原

理，就直驱永磁风力发电系统提出了一种控制策略，该策略不同于通过控制直流电压实现对转速控制的方案[3]，而是通过控制逆变器的输出电压和电流实现恒压恒频输出和最大风能获取，同时根据该策略给出了逆变器PWM控制信号的获取方法，并搭建了基于DSPTMS320LF2407相应的实验室硬件平台。笔者建议相关研究人员可根据本文研究成果和构建的实验室平台，进一步研究和实验，来优化控制方法。

[参 考 文 献]

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[作者简介]

吴迪(1980-)，上海交通大学在读研究生，研究方向为直驱永磁风力发电控制的研究与应用。