基于混合励磁电机的直驱式风电系统
叶斌英， 阮毅， 杨 勇， 汤燕燕
(上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)
摘要：介绍了一种新型的基于混合励磁同步发电机的直驱式风力发电系统：针对混合励磁直驱式风力发电系统的特点，提出了一种新的控制策略，实现了****风能跟踪。在同步旋转坐标系建立了混合励磁同步发电机和三相并网逆变器的数学模型，通过控制混合励磁司步电机的励磁电流来稳定三相并网逆变器的直流母线电压，并通过控制混合励磁同步发电机的转速来实现****风能跟踪。网侧变换器采用电网电压定向的矢量控制，实现了轴电流解耦控制。仿真结果表明：陔控制策略使二相并网逆变器有良好的动、静态性能，且实现r风能的****跟踪。
关键词：****风能跟踪；直驱式风力发电系统；混合励磁
中图分类号：TM 301 2文献标志码：A文章编号：1673—6540(2010)05-0001-06
极同步电机的直驱式风力发电系统结合电力电子装置，发电机可以在低速下发电运行，省去了齿轮箱，该系统已成为近年的研究热点[5-9]。
****风能跟踪是风力发电的基本问题。在一定的风速下，存在一个****的发电机转速使得系统捕获的风能****。对于直驱式风力发电系统，文献[10]分析了典型的基J：永磁同步电机(Per-manent Magnet Svncllronous M0tor，PMsM)的矢量控制并网系统结构和****风能跟踪方法，利用可控的整流桥、逆变桥分别控制机侧以获取****风能和网侧并网逆变，通过直流母线进行联系，可以实现并网逆变和****风能跟踪的目的，但存在着需要两套大功率变流器的缺点。文献[11]提出了不添加整流桥实现****风能跟踪的控制方法，使系统更加稳定，但是控制方法复杂。文献[12]和文献[13]各自提出了在直流母线上添加B00sT电路进行****风能跟踪的方法，拥有良好的跟踪性能，但是B00sT电路限制了系统的功率。由于水磁电机本身励磁不可控，为了达到捕获****风能的目的，上面提到的这些基于PMSM的****风能跟踪方法都需要在主电路上添加电力电子装置，辅助实现****风能跟踪。近年，广受各国学者关注的混合励磁同步电机[14-16](HvbirdExcit时ion synchmnous Motor，HEsM)在永磁体励磁的基础上添加了电励磁，同时具有电励磁同步电机和PMSM优点，在变速或负载不稳定的发电场合通过调节励磁电流即可提供恒压电源。如果在直驱式风力发电系统中，利用HESM替代PMSM，通过混合励磁电机的电励磁协调控制直流母线电压，可省去一部分大功率电力电子装置，同时达到****风能跟踪的目的。
本文推导了HESM和并网逆变器的数学模型，并在此基础上给出了本文所采用的系统结构模型，以及相应的****风能跟踪策略，最后通过仿真验证了该系统结构的正确性。
l 数学模型
1．1 HESM数学模型
本文介绍的风力发电并网系统采用的HESM结构如图l所示：装在定子上的直流励磁线圈首先在旋转的转子t感应出交流励磁电流，该交流电又经过转子上的整流器得到直流电，该直流电与装在转子上的永磁体一起产生励磁作用，再安装在定子上的主绕组中感应出电动势。
虽然HESM结构比较特殊，但从电磁关系的角度来看，HESM与普通PMSM相比，仅多了一个可以渊节电流的励磁绕组。网此，仍然可以采用由坐标系来分析HEsM。由于定子坐标系下的HEsM方程式是一组与转子瞬时位置有关的非线性微分方程式，只能采用与转子同步转速旋转的由坐标轴系统的变换来消除微分方程中的这种非线性关系。取由定子绕组端点流入电机中心点方向作为定子各相电流的参考正方向，绕组磁链中和电流。的正方向符合右手螺旋法则，永磁体产生的主极磁通方向取为d轴的正方向，q轴超前d轴正方向90。电角度。由此可得到电枢绕组和励磁绕组的磁链方程式为  式中：Lmd，Lmq——直轴和交轴电感；
Msf——励磁绕组与电枢绕组互感的幅值；
Lmf——励磁绕组自感；
Ψpm——永磁体匝链电枢绕组的磁链幅值。
根据电压方程，经推导得电流微分方程为
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