永磁直驱风电机组并网系统的建模与仿真研究

孙攀;陶保震;袁博;李力 【期刊名称】《风能》 【年(卷),期】2014(000)012 【总页数】4页(P98-101) 【作 者】孙攀;陶保震;袁博;李力

【作者单位】国电南京自动化股份有限公司;国电南京自动化股份有限公司;国电南京自动化股份有限公司;国电南京自动化股份有限公司 【正文语种】中 文

从目前风力发电技术发展来看，并网型发电机组可分为两类：恒速恒频型（CSCF）与变速恒频型（VSCF）。由于，恒速恒频发电系统其发电效率较低，且在运行过程中承受的机械应力较大，相应的装置成本较高，自20世纪80年代以来，这种恒速恒频风力发电方式逐渐被变速恒频型所取代。变速恒频型风电机组是利用先进的变速和变桨技术，根据风速变化时风电机组的输出特性调节发电机转速处于相应的最佳值从而最大限度地捕获风能，提高风力发电效率的同时大大降低了系统的机械应力和装置成本。

目前国内外的变速恒频型并网风电机组主要有两种：双馈风电机组（DFIG）与永磁直驱风电机组（PMSG）。双馈风力发电系统是由风电机组、齿轮箱、双馈发电机、变流器等组成。其中双馈电机的定子端直接与电网相连，而转子端通过变流器连接到电网。直驱式风力发电系统是采用风电机组直接驱动多级永磁同步发电机、省去了容易发生故障的齿轮箱，使系统发电效率得到了提高，并且大大降低了噪声

对环境的污染。正因为永磁直驱风力发电系统在拓扑结构、成本、经济效益以及应对电网故障等方面具有独特的优势，永磁直驱风电机组在风力发电系统中的运用将越来越广泛。

永磁直驱风力发电系统是由：风电机组、永磁同步发电机、背靠背式全功率变流器、控制器等。首先将风能转化为频率变化、幅值变化的三相交流电，经过整流之后变为直流（即AC/DC转换），然后经过三相逆变器变换为频率恒定的三相交流电连接到电网（即DC/AC转换）。通过对电力电子变换环节的控制，调节系统有功功率和无功功率输出，在风速变化时通过控制发电机的转速达到最佳转速以实现最大功率跟踪、最大效率地利用风能。整个系统结构如图1。 一、风电机组模型

风电机组是将风能转化为机械能，是发电机的原动机。发电机将机械能转变为电能，是整个风力发电系统能量转换的首要部件。本文所使用简化的空气动力模型来反应风电机组输出的机械功率、风轮转速以及风速的关系。

式(1)中，Pm表示为风电机组获得的机械功率；Tm表示为风电机组的机械转矩；ρ表示为空气密度；R表示为风轮半径；V表示为风速；Cp表示为风能利用率或风能转换系数,是叶尖速比λ和桨距角β的函数，其关系如下式：

式(2)中，λ表示为叶尖速比；β表示为桨距角；n表示为风轮转速；wg表示为风电机组角速度。在Matlab/ Simulink环境中建立的风电机组模型如下图2。 二、永磁直驱风力发电系统控制器建模 （一）机侧控制

在变速恒频永磁直驱风力发电系统中对风电机组机侧的控制，目的是让风电机组的运行转速跟踪参考转速。发电机的转速控制又是通过对发电机电磁转矩的控制实现的，而永磁同步发电机的电磁转矩与其定子电流密切相关，所以机侧控制就是通过对电机侧变流器的PWM控制实现控制永磁同步电机定子电流。

永磁同步发电机的控制策略主要有矢量控制与直接转矩控制两类，本文的仿真模型采用的是矢量控制策略。矢量控制技术通过坐标变换可使永磁同步电机定子电流的转矩分量与磁链分量实现解耦、调节，从而只需要控制定子电流的转矩分量这一个量就可实现电机转速的调节。下图3给出永磁直驱风力发电系统的机侧控制原理。 机侧控制采用了双闭环控制如上图3，通过测量永磁电机电角度θ，得到发电机的实际转速wg，wg*为参考转速（在某一风速下对应的最佳转速），参考转速wg*与实际转速wg的差值经过PI调节后作为作为发电机定子电流的q轴分量给定值isq*，发电机定子电流d轴分量给定值isq*＝0，通过PI调节让电子d、q轴的电流跟踪给定值。定子dq轴电流除受控制电压ud，uq的影响外，还受耦合电压wgLqisq、 －wg（Lqisq＋ψ0）的影响，因此可分别对dq轴电流进行闭环PI控制，并减去耦合项wgLqisq、 －wg（Lqisq＋ψ0）以进行补偿，即可得dq轴电压分量，然后经SPWM调制，就可得电机侧变流器的驱动信号。 （二）网侧控制

永磁直驱风力发电系统的网侧控制把经过机侧变流器输出的的直流电转换为与电网频率相同的恒频三相交流电实现并网，同时进行输出有功无功的控制。本文中的网侧控制采用电网电压定向的电流内环，电压外环的双闭环控制策略，控制原理如下图4。

（三）桨距角控制

当风速低于额定风速时，风电机组输出功率低于额定功率，桨距角控制让风电机组桨距角保持在零度位置。但是当风速大于额定风速时，风电机组输出功率高于额定功率，受限于电机转子机械应力承受能力与定子电气的承受能力，此时必须限制风电机组的功率，使风电机组保持在额定功率运行，以保证风电机组的安全稳定运行。 图5中，Pn为风电机组的额定功率；Pe为风电机组的实际输出功率；Vn为风电机组工作的额定风速；Ve为风电机组输入的实际风速；max表示取实际风速与额

定风速中的最大值，这是为了保证当实际风速高于额定风速时，桨距角控制才开始工作。

三、永磁直驱风力发电系统模型

整个永磁直驱风力发电系统在MATLAB\\Sumlink中的模型如图6。

本文的永磁直驱风力发电仿真系统中的风电机组模型，模拟的是一款国内主流风电设备公司的5kW风电机组的参数而估算出来的，该风电机组的额定功率为5kW，额定风速11m/s，额定转速 240r/min，风能利用系数为0.2365。模型中的一些关键参数如表1所示。

一、风速小于额定风速的仿真情况

当风速小于额定风速时，桨距角控制不启动桨距角始终为0。仿真条件设定为风速在0.3s时由9m/s跃升至11m/s，仿真步长为5e－6s，仿真时间1s，仿真得到的风力发电系统输出到电网交流电的A相电压电流（标么值）、中间直流电压、风电机组转速、风能转换效率以及输出到电网的有功波形如图7所示。 从上图7的仿真结果来看永磁直驱风力发电系统输出到电网的A相电压电流完全同相，即实现了输出功率因数为1，并可见当风速从9m/s跃升至11m/s时，电流明显增大；直流电压稳定时保持在860V的恒定值，在风速变化时电机的转速经短暂过渡过程后很快达到新的稳定值，且在风速为11m/s时电机恰好达额定转速值240r/min；由于风速变化前后，风速都不超过额定风速值(11m/s)，风能利用系数在风速前后均保持在0.2365（即该风电机组的最大风能利用系数）；从图中还可以看出风速在9m/s时，输出的有功约2900W，当风速达额定值11m/s后，输出有功达到额定输出功率值5000W。 二、风速大于额定风速的仿真情况

当风速大于额定风速时，桨距角控制启动，桨距角不为0。仿真条件设定为风速在0.5s时由10m/s跃升至13m/s，仿真步长为5e－6s，仿真时间1s，仿真得到的

风力发电系统输出到电网交流电的A相电压电流（标么值）、中间直流电压、风电机组转速、风能转换效率以及输出到电网的有功波形如图8所示。

从上图8的仿真结果可以看出，在风速从10m/s跃升至13m/s时，由于风速超过了额定风速，桨距调节系统动作，达新的稳定状态时桨距角为12度左右，风能利用系数降至0.145，但电机的转速还是维持在额定转速240r/min，功率维持在额定功率5000W，可见当风速大于额定风速时，通过桨距调节系统的调节改变风电机组叶片攻角，以限制风力发电系统的输出有功不超过额定功率5000W，且电机转速不超过额定转速240r/min，保证风力发电系统的平稳安全运行。

风力发电对缓解我国能源紧缺、保护自然环境、推动可持续性发展等都具有十分重大的意义。本文以Matlab／Sumlink为软件平台，搭建了一套完整的永磁直驱风力发电系统模型并验证了其中的控制算法策略的可行性与准确性。