摘要：相比双馈交流的励磁发电系统来说，采用直驱永磁发电系统其结构比较简单，而且具有较高的运行可靠性，在本研究中使用双脉宽调制变换器，将其作为直驱永磁发电机并网电路，并且能够结合风力机发电机等运行特点，提出最佳功率条件下的发电机风能有效控制策略，构建双脉宽调制变换器的直驱永磁风力发电系统，通过结果表明，该控制策略具有一定的安全性，可靠性，能够对最大风能实现跟踪控制，并且能够对有功无功功率采用独立控制的方式。
关键字：直驱永磁；同步风力发电机；最佳风能跟踪；控制
近年来，对于风力发电技术以及可再生能源发电技术来说得到了快速发展，尤其对于变速恒频风力发电来说是目前国内外风力发电的研究重点，主流变速恒频风电机组采用双馈交流励磁系统，该系统可实现有功、无功解耦有效控制，变速恒频发电最佳风能获取控制等，但由于在使用该系统时需要借助发电机和风力机，且在双馈电机存在滑环、电刷时，整体系统构造比较复杂，从一定程度上会降低系统在发电中的有效率以及运行可靠性。随风电机组容量提升，为能够解决风力发电过程中的安全性问题，可以使用直驱永磁风力发电系统，在该系统中利用无刷永磁同步发电机，能够与风力机直接相连，利用这种全容量变频器进一步实现并网发电。过去研究学者针对直驱永磁风力发电机并网控制进行了深入分析，采用不可控整流可控逆变作为并网电路，进一步可实现对用直驱永磁风力发电机最大风能控制和速度传感器的有效控制，具有低成本，控制方法较简单等特点，然而无法直接进行发电机转矩具有效控制，一旦出现动态响应较慢时，无法实现发电系统自动，并且无法控制整流，增加发电机电子谐波电流，也会加大电机运行中的能量损耗。在本研究中结合风力机的特点，采取最佳功率给定风能跟踪控制策略用于支取用词，同步分类系统中，在发电机并网电路中采用双脉宽调制变换器，通过对变换器进行控制进一步实现最大风能发电机，获取可实现功率因素的有效调整，在构建双脉宽调制变换器基础上的直驱永磁风力发电系统，并通过实验研究证明该策略的可操作性。
1 采取最佳功率给定状态下的风能控制原理分析
首先从风力机风能获取功率上来看，存在下列公式，
其中空气密度用p表示，风力机扫风面积可以用A表示，风速为v，风力机的风能利用系数用Cp表示，在保持浆距角一定时，叶尖速
比函数为 ，在该公式中，w是风力机的半径用r表示，风
力机机械角速度用w表示。在处于浆距角保持一定条件下，当风力机最佳叶间速比达到最佳状态时，此时能够获得最大化的风能捕获系数，相应的转化率是比较高的。因此，在某一风速条件下，将风力机置于特定转速下能够实现对风能最大捕获，而在风速一定条件下，风力机功能曲线存在最大功率点和最优转速点，将其置于不同风速下，使最大功率点连接之后能够获取最佳功率曲线，我们可以通过该曲线
发现最佳功率是与转速具有直接关系的。如下公示所示， ，
要想实现最大风能跟踪，需要在处于风速不断变化，对风力机的转速进行及时调整，使其能够达到叶间速比最佳运行状态，确保系统能够处于最佳功率曲线上进行运行，控制风力机的转速可以通过调节风力机变桨，或通过发电机输出功率进行有效调节，由于变桨调节系统相对来看结构比较复杂，而且调节精确度较低。因此在本研究中主要通过发电机有功功率输出，进一步来调节电磁组转矩，实现对发电机转速的有效控制。根据永磁同步发电机功率存在下列公式，
在该公式中发电机电磁风机输出功率，机械的损耗分别可以用Pcm，Pm以及P0表示，发电机电子输出的有功功率，铜消耗率，铁消耗率可以分别用Ps，Pcus以及Pfes表示。为能够确保实现最大化风能跟踪控制，结合风力机转速，对风力机所输出的功率进行控制，可以用Popt表示，我们可以将设置Pm等于Pcpo，根据公式可以得到最佳电磁功率以及Pcm和相应的定子有功功率，即Ps，如下公式所示，
根据有功指令控制发电机输出有功功率，进而能够确保风力机处于最大风能获取状态，实现最大功能的有效实施跟踪控制。
2电机侧变换器的有效控制
在本研究中将双脉宽调制变换器以及永磁同步发电机作为发电系统，该系统主要是由直流侧电容，电机侧变换器，同步发电机，电网测变换器共同构成的，其中电机侧变换器能够有效控制电机所输出的功率，进而能够对最佳功能实现跟踪控制，由于在整个运行过程中同步发电机处于低速运行，因此使用多对极表贴式永磁同步发电机，针对目前这种发电机采用转子磁场定性控制的方式，我们可以假设坐标系d-q轴是同步转速的，q轴会高于d轴，可以将d轴定位，在转子永磁体方向上可获得最终电机、电子电压方程如下公式所示。
通常来说电子电流电阻为0，根据本研究，我们最终可以发现最终发电机电磁转矩是与电子电流q轴具有直接联系的。根据上述研究我们发现及时调节发电机电磁组转矩，可对发电机功率输出功率进行有效控制，因此结合最佳风能跟踪状态原理，该发电机控制系统外环可使用有功功率闭环控制，将调节输出量作为定子电流q轴来给定，内环能够实现q-d轴电流的闭环控制。根据公式，两个定子d-q轴电流除了会受到电压影响外，还会受到耦合电压的影响，因此d-q轴电流能够分别进行闭环调节控制，得到相应的电压之后，可以加上耦合电压补偿得到最终的控制电压，结合电机转子角速度和电容电压经过矢量调节控制之后，可最终获得电机侧变换器所需驱动信号。如下图所示为最佳功率条件下电机侧变换器的功率，电流处于双闭环控制状态下的结构示意图。
为确保直流侧电压保持恒定需要控制电网测变换器，在整个运行过程中，直流侧电容充电和放电功率变化是比较小的，可忽略变换器在运行中的损耗，我们可以默认发电机输出功率汇入变换器进入电网中，因此电发电机输出功率能够通过间接的方式，测量网测变换器进入电网功率值来获取。
3 建立实验系统
为进一步确保最佳功率状态下风能跟踪控制策略的准确性，在本研究中开展直驱永磁同步风力发电系统，如下图所示，
该系统控制示意图，主要包括电抗器同步发电机双脉宽调制变换器，并网装置等，在实验条件下开展风力发电机并网研究，在处于控制面板上使用转矩模拟法，通过对直驱永磁电动机控制来模拟风力机的特点，通过该系统在控制板中进行风速，转速，电流控制，直驱永磁风力机在转速，风速变化时的运行特点，为后续分析风能跟踪实验提供基础。其中双脉宽调制变换器采用tI生产的电机控制芯片，能够对电机侧变换器，电网测变换器所获得的信号进行收集处理。
在实验分析中，上述所构建实验系统能够对同步风力发电系统的最佳风能控制，发电系统有功、无功独立控制进行研究，如下所示当风速突变后发电机设置有功，网测变换器并网有、无功率变化曲线如下所示。
并网无功为零，可忽略变换器的能量损耗，默认为并网有功与发电机输出功率是相等的，根据该图我们发现并网有功能够跟踪所设定好的有功功率，实现最佳风能工作控制，而使网测变换器无功功率输出获取准确控制，当出现有功功率快速变化时，网测变换器的无功功率几乎不变。
小结
总而言之，在本研究中通过构建双脉宽调制变换器，永磁同步风力发电系统，进一步说明了所构建的电网测变换器控制策略的有效性，利用该发电系统能够实现对最大风能跟踪控制，并网有无功率独立控制的有效运行。
参考文献
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论文作者:李军
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/12/9
标签：变换器论文; 永磁论文; 发电机论文; 风能论文; 功率论文; 风力论文; 系统论文; 《电力设备》2019年第15期论文;