摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，我国的电力企业发展十分迅速，文章首先对永磁同步风力发电系统的变流拓扑进行了介绍，然后在对其拓扑结构分析的基础之上对矢量控制技术和直接转矩控制技术应用于永磁同步风力发电机进行了详细的分析。最后，指出了永磁同步风力发电系统控制技术未来可能的研究重点和发展趋势。
关键词：风力发电;永磁同步风力发电机;控制技术
引言
随着科学技术的不断进步，人们开始意识到能源在促进人类社会不断发展中的重要作用，伴随着飞速发展的社会经济，作为人类发展至今的主要能源的煤和石油等已经面临着枯竭的状态。为了实现人类的可持续发展，人们开始研究新能源和可再生能源的开发和利用。而风能以其自身独特的优势，在近年来新能源的开发过程中得到广泛的关注。对风能的开发和利用过程中产生的直驱式永磁同步风力发电系统给人们的生活带来了极大的便利，同时还减少了污染，因此对于直驱式永磁同步风力发电系统的控制研究具有重大意义。
1风力发电机的控制方法
根据风力发电过程中发电机的运行特点、控制技术，可以将其分为变速变频系统、恒速恒频系统、变速恒频系统三种。发电过程中，如果风力发电机与电网并联，风电的频率与电网相同，电网的频率恒定，则风电的频率一也要保持不变，所以变速变频系统的应用范围比较窄。恒速恒频系统中，发电机通过笼型异频电机进行并网运行，通常运行在电机机械特性曲线的稳定区，如果风速增加，风力机传统发电机的机械功率也会增大，一旦转子速度大于同步转速，则会对异步发电机的稳定性产生影响，从而发生飞车危险。并且，风力机的输出功率与风速的三次方为正比关系，风速变化范围一定，由于风力机的功率因数在某个确定的风速比下才能达到最大值，因此只有允许风力机变速运行才能更好的利用风能，而恒速恒频系统风力机转速是保持恒定的，风速却不断变化，无法保证最大的功率因数，因此恒速恒频系统的应用也不太广泛，现阶段应用最广泛的即为变速恒频风力发电控制，下文做重点介绍。
2控制策略综述
2.1无传感器矢量控制
为了解决由于使用传感器所带来的系统可靠性降低等问题，不少学者提出了永磁同步风力发电机无传感器控制技术。提出了一种在无位置传感器的情况下，将矢量控制用于永磁同步风力发电机的控制方法。采用简化卡尔曼滤波器进行电机转子位置和转速估计。该系统选取转子位置和转速作为状态变量，两相定子电流作为输入，建立了基于简化卡尔曼滤波器的永磁同步发电机状态估计离散模型，实现了无位置传感器矢量控制。虽然这种方法在无位置传感器的前提下实现了永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制，但是运算量很大，且参数调试复杂。提出的结构与所提出结构的不同之处在于在卡尔曼滤波器的基础上增加了锁相环功能来对永磁同步发电机的速度和位置信息进行精准估计。在永磁同步风力发电机无位置传感器矢量控制的基础上增加了滑模观测器，该方法使状态运动点在相平面上进行微小变动，最终到达静态稳定点，当发电机参数变化时，它具有良好的适应性能，可以在很大程度上提高发电系统的可靠性，但是算法较复杂。
2.2网侧PWM逆变器控制策略
网侧PWM逆变器控制的目的是将直流电转换成交流电，具体是为了得到同相位和幅值的电网的交流电要使机侧变流器整流而来的直流电进行转换，而此时，必须要确保稳定的是直流母线电压。对直流母线下达的电压命令要达到一定数值，来保证充足的反向截止电压能够供给给开关。电网电压的矢量顶箱操控是网侧年便器所应用的策略，在d轴上使网侧电压矢量进行定向，单位功率因数形式处于正常的工作状态下，只有有功功率得到了输出；当故障造成电网停止运作时，要使无功电流命令得到转变，逆变器有功和无功的多少进行调整。
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2.3 Boost电路控制及变桨距控制
根据空气动力学的原理可以得出，风轮机输出功率的表达式为: 公式(6)中P为风轮机输出功率，ρ为空气密度，A为转轮旋转截面面积(扫掠面积)，υ为风速，Cp=f(λ，α)为风轮功率系数，λ=ωR/υ为风轮叶尖速比，α为风机桨矩角。该公式说明在相同风速下，风力机的不同转速会使其输出的功率不同，要捕获最大风能必须在风速变化时及时调整转速ω，并保持最佳叶尖速比。为实现最大风能捕获，根据风力机的3种典型运行状态可以做出相应调整:①低风速段实行变速运行，可保持一个恒定的Cp值。调节发电机转速并保持λ不变，直到转速达到极限。根据最佳功率曲线，使风力发电机组具有最高的转换效率;②风机在额定转速附近运行时，随着风速的变化，调整转速，改变Cp的值，控制风力机运行直到输出最大功率;③在高于额定风速时，主要通过改变变桨距系统的桨叶节距来限制风力机获取能量，使风力发电机组输出功率达到极限并趋于稳定。由于直流侧电压Udc采用恒压控制，所以续流电感电流il的大小反应了发电机输出用功功率的大小。
2.4直驱式永磁同步发电机
直驱式永磁同步发电机与电网的边接是利用背靠背全功率变流器来实现的，其中枢绕组与电网连接，即使电网电压发生跌落，其定子端电压也不会受到明显的影响，有文献报道称，也可在直流侧增加Crowbar保护电路，即可实现该系统真正意义上的低电压穿越运行，故在电力部门对风力发电要求越来越高的今天直驱式永磁同步发电机的应用也越来越广泛。并且风力机与永磁同步发电机直接祸合，可省去齿轮箱，大大降低了故障率，提高风机运行的可靠性。并且直驱式永磁同步发电机还有一个特点，即其采用永磁型结构作转子，具有自身励磁的功能，无需再安装励磁绕组，因此电损失大幅下降。不过该机型最大的不足在于，没有齿轮箱就必须将全部转矩转换为电能，只有增加发电机的半径才能弥补转速，故体积较大，安装比较困难;并且直驱式永磁同步风力发电机在过冷、过热的情况下容易失磁，影响其可靠性。
2.5无传感器直接转矩控制
同样地，为了减少传感器的使用，提高风力发电系统的可靠性，不少学者对永磁同步风力发电机直接转矩控制无传感器控制技术做了许多研究。提出了无位置传感器情况下两种转子检测的方法，但是并未将其应用至实践中。提出了一种永磁直驱型风力发电系统的无风速传感器直接转矩控制策略，直接控制电机的转矩和定子磁链来实现永磁同步发电机的最优控制，不需要转速外环，避免了风速的测量和风速测量不准确等问题，但是对发电机转速的测量精度提出了更高的要求。基础上将SVM和无位置传感器技术相结合用于直接转矩控制系统。提出一种利用RBF神经网络进行风速估计并考虑损耗转矩的最大风能跟踪控制策略。
结语
根据永磁同步风力发电系统控制策略的发展历程，该研究方向可能具有以下的发展趋势:一是研究可靠性高的复合控制算法，将矢量控制和直接转矩控制有效结合起来，扬长避短，可以同时满足稳态精度和动态响应的要求;二是针对多极永磁同步风力发电控制技术的研究，随着永磁同步风力发电系统容量的不断扩大，永磁同步风力发电机向多极化发展是必然的趋势;三是对先进控制引入后的简化处理，虽然目前已成功将诸如模型预测控制、自抗扰控制等先进控制技术与矢量控制和直接转矩控制相结合，但是无一例外其计算过程非常复杂且难以理解;四是针对新型变流器拓扑结构，控制技术与多电平变换器结合的研究;五是针对基于观测器的算法，使算法受电机参数影响更小，提高系统的可靠性。
参考文献
［1］宋庆旺．低转速直驱式永磁同步风力发电机直接转矩控制性能优化［D］．成都:电子科技大学，2014．
［2］李娟，张克兆，李生权，等．最佳叶尖速比的最大功率自抗扰跟踪控制［J］．电机与控制学报，2015，19(12):94－106．
论文作者:范志平
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：永磁论文; 风速论文; 发电机论文; 转矩论文; 转速论文; 系统论文; 传感器论文; 《电力设备》2019年第19期论文;