变速直驱永磁同步发电机风力发电系统的控制

    邓秋玲^1,2，黄守道²，肖锋¹

(1湖南工程学院，湖南湘潭411101；2湖南大学，湖南长沙410082)

    摘要：阐述了变速风电系统中直驱永磁同步发电机的运行控制。发电机通过全功率控制的变-直-交电路连接到电网上，功率变换电路由脉宽调制(PWM)的整流器、中间直流电路环节、PWM逆变器组成。控制发电机在不同负载条件下从随机变化的风中最有效地获得输出功率。对网侧逆变器采用矢量控制来调节风电系统的功率因数。最后对系统进行了仿真，仿真结果证明了提出的系统的有效性。

    关键词：永磁同步发电机；风能；功率变换器；直接驱动

    中图分类号：TM341  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)06—0051—04

0引言

    目前风力发电是再生能源发电技术中增长最快的一种，到2020年，其发电量将占全世界发电量的百分之12。由于风力的特性，无需供给燃料，风力发电系统的基本要求是从随机变化的风中获得****能量。在一些文献中阐述了运行在变速恒频模式的风轮采用****功率吸取算法所产生的电功率比传统的恒压恒频控制要多出百分之9～百分之11。

    传统的风力系统在风轮机和发电机之间存在齿轮箱，齿轮箱的存在会产生机械故障和增加维护费用。为了提高系统可靠性和降低维护费用，取消齿轮箱，用永磁体代替同步电机的励磁绕组。由于永磁材料磁性能的改善和价格的降低，永磁励磁发电机与传统发电机相比，还具有结构简单、效率高等优点，极距减小，转速可以设计得较低(20～200 r／min)，取决于发电机的额定功率。

    本文采用变速直驱永磁同步发电机(以下简称PMSG)风力发电系统，发电机通过全功率控制的交-直-交电路连接到电网上，这个功率变换电路由PWM整流器、中间直流电路环节和PWM逆变器组成。文中阐述了PMSG风电系统的运行控制，对系统进行了仿真，仿真结果证明了提出的系统的有效性。

1 PMSG系统组成

1．1风力发电系统的组成

    PMSG风力发电系统如图1所示。永磁同步发电机直接与风轮机相连接，再通过全功率控制的变-直-交电路连接到电网上，功率变换电路由整流器、直流电路环节、逆变器组成。发电机首先将风能转化为频率和幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流，然后经过三相逆变器变换为三相电压和频率均恒定的交流电传递到电网。

1．2交-直-交变换电路的拓扑结构

    风力发电系统中的交-直-交变换电路可以有不同的拓扑结构。对于不同的结构，系统的控制方法会相应的发生变化。风力发电系统的交-直-交电路主要有：

    (1)不控制整流后接晶闸管逆变器和无功补偿；

    (2)不控制整流后接直流侧电压变化的PwM电压源型逆变器或电流源型逆变器；

    (3)不控制整流后接直流侧电压稳定的PwM电压源型逆变器；

    (4)PwM整流后接电压源型PwM逆变器(双PWM变换电路)。

    目前采用双PwM变换器的PMSG风力发电系统越来越多，系统原理图如图2所示。它由PwM整流器、直流电路环节和PwM逆变器组成。PwM整流器的作用是将发电机发出的交流电变换成直流电，提供一个可供****功率跟踪算法使用的功率信号，实现****功率控制。对PwM变换器施加矢量控制，实现有功功率和无功功率的解耦，以便提供所要求的无功功率，并且能传输所有的有功功率。通过解耦控制，发电机转矩直接由交轴电流分量控制，采用使损耗****的直轴电流作为参考值，实现对电机的****转矩、****效率、最小损耗控制。

2发电机与电力电子变换器的控制

2.1发电机侧变换器(PWM整流器)的控制

    (1)永磁同步发电机的模型

    永磁同步发电机在由同步旋转坐标系中的数学模型^[3]为：

式中：R_s为发电机每相绕组电阻，L_d、L_q分别为定子绕组的直轴电感和交轴电感，ω为发电机定子角频率