永磁直驱风力发电机建模报告

永磁直驱风力发电机建模报告内容摘要：

                    001 [] Tdc dcd q d qd u ud d d i i id t C R C 三、 机组控制 策略及模型 最大风能跟踪控制策略 为了尽可能提高风能利用率，近年来，人们还广泛研究了风能的最大功率跟踪控制。 下面针对最常见的几种最大风能捕获方法，即叶尖速比控制、功率信号反馈控制和爬山搜索算法控制等做一个综合概述。 (1)最佳叶尖速比法 叶尖速控制的目的就是维持叶尖速比在最佳特性曲线上，这样在任何风速下，都能够获得最大功率。 如图所示，在该系统中，需要测量风速与风力机转速，作为控制系统的输入信号，通过计算或实验获得最佳叶尖速比的特性曲线。 该控制器的结构比较简单，要求测量的风速需要与作用在桨叶上的风速有良好的关联性。 但是，风速必须在到达桨叶之前就测量出来，由于风力机旋转时，使周围空气产生很大的扰动，因此风速传感器必须装在远离风力机的地方，而这样测得的风速与风力机安装处的风速就有了一定的误差，影响系统的精度。 此外从风速传感器取得的风速信号还必须能反映风力机跟踪风向的偏差，否则又会造成误差；而且风速在整个桨叶扫掠面积上是不一致的，所以做到这一点非常困难。 此外最佳叶尖速比的特性曲线对于不同的发电系统也不一样，使叶尖速比控制较多的依赖于风力机与发电机的特性曲线。 所以这种方案看似简单，实现起来却相当的困难。 综上所述， 这种控制方 案的主要特点有 ： 1)控制方法简洁清晰，可使风力机工作在最大功率点，能量转换效率较高。 2)需要知道风力机的功率特性，以确定最佳功率负载线。 3)需要知道风力机特性和安装风速测量装置，导致成本增加，系统可靠性降低，而且不同系统存在不同的 叶 尖速比值。 由于系统依赖风力机特征参数，导致需要对通用设计控制软件进行适当变化以应用于特定的风力机。 4)桨叶迎风面的风速难以准确测得，影响控制精度。 而且该方法对风速变化比较敏感，导致输入电网功率的波动较大。 最佳叶尖速比由风机厂家的实验数据求得，而其会随环境因素而变化， 限制了 该方法的控制精度。 (2)功率信号反馈法 功率信号反馈控制需要采用查表法或者需要预先知道转速与发电机的输出功率之间关系。 功率信号反馈控制的原理如图所示。 假设原来在风速 V1 下风力机稳定运行在最佳功率曲线 P1 上，对应着该风速下的最佳转速 ω 1， 此时发电机输出的功率等于风力机捕获的机械功率乘以系统效率。 如果某一时刻风速突然升高到 V2，风力机获得的功率就会由点 P1 跃变至 P2，由于大的机械惯性作用和控制系统的调节过程滞后，发电机的转速仍然运行在ω1 点，此时风力机捕获的机械功率大于发电机输出的功率，功率的不平衡，将导致发电机转速升高。 在这个变化过程中，风力机和发电机将分别沿着风速 V2 下的功率曲线轨迹运行。 当运行至发电机功率曲线和最佳功率曲线的交点时，功率将重新达到平衡。 此时，转速稳定在对应于该风速下的最佳转速ω 0， 发电机输出的最佳功率为 P0。 同理，也可以分析风速从高到低变化，最大风能捕获过程和转速的调节过程。 其控制的基本结构如 下 图所示。 由于该系统中要取得风力机的机械功率信号比较困难，因此在实际电路中可以用发电机输出的电功率来代替，但是这个方案并 不能保证风力机在额定风速以下整个运行的风速范围内均能按最佳叶尖速比或最大功率运行。 由于发电机的输出功率效率不可能在一个很大的运行风速范围和功率变化范围内保持不变，所以也就必然会偏离最大功率（同时也偏离最佳叶尖速比）运行。 特别是在较低风速段，由于发电机效率下降很快，离最大功率运行更会相差甚远。 因此该方法实施起来也比较困难。 综上所述， 它的主要特点有 : 1)控制方法同样简洁清晰，可使风力机工作在最佳功率负载线附近，从而有效提高了整个风力发电系统的风电转换效率。 2)不需要知道确切的风力机功率特性，只需要了解 Cp， λ 两个特征参数和最佳功率负载线对应的功率、转距关系即可。 3)不需要测量风速装置，功率可以方便解算，但需要知道风力机转速。 4)对于不同的风力机，最大功率曲线需要事先通过仿真或试验测得，这增加了功率反馈控制难度和实际应用成本。 (3)最优转矩法 风速一定，风电系统运行在最大功率点时发电机输出的电磁转矩称为最优 转矩。 若已知最优风机转速 —— 转矩曲线，通过转矩闭环控制，使得发电机电磁转矩实时跟踪此最优曲线，对应系统运行在最大风能捕获点。 该方法避免了风速的检测，但需要风机转速和发电机电磁转矩的信息，同时还需已知最优转矩 曲线。 同样，该方法也有以下缺点 : 1)最佳转矩曲线由风机厂家的实验数据拟合而成，会随环境因素而变化，限制了该方法的控制精度。 2)需己知发电机电磁转矩值，若增加转矩传感器，将导致系统成本显著增加。 若由转矩公式求得该信息，则该方法将会对电机参数有很强的依赖性。 (4)爬山搜索法 爬山搜索法的基本原理如图 38 所示。 该方法无需测量 风速，也不需要事先知道具体风力机的功率特性曲线，而是施加人为的转速扰动，然后通过测量功率的变化来自动搜索发电机的最佳转速点。 其追踪最大风能的原理：计算当前风力机的功率 Pt(n)，并和上个控制周期的风力机功率 Pt(n− 1)比较，如果功率下降，那么将转速指令的扰动值 dω反号，否则保持其符号不变。 最后将当前的转速扰动值和上个周期的转速指令相加就得到新的转速指令值。 也就是说，当风机的功率一直增加时，保持转速指令增加（或减小）的方向不变，当风力机的功率减小时，原来转速指令在增加的就要变成减小，原来转速指令减小的就要变 成增加，即将转速指令的扰动 dω反号。 上图 给出了爬山搜索法基本控制方案，爬山搜索控制方法是一种局部搜索算法，该方法的实现途径是通过尝试小幅度增加风机转速来判定功率变化趋势，进行转速的最优点搜索过程。 如图所示，如果系统工作在左半部分，计算当前的功率值，并和上个控制周期的功率进行比较，如果功率下降，则将转速指令的扰动值反号，下次将沿相反的方向运行。 如果功率一直增加，保持转速指令的扰动方向不变。 若系统进入右半部分，则变化趋势与左半部分相反。 在控制过程中，为了提高系统的精度，通常采样周期取的比较小。 显然，在风 轮转动惯量比较小的时候，爬山搜索方法有较好的效果。 但当转动惯量较大时，这种方法就不能令人满意了。 在高功率风能转换系统中，由于风机具有较大的转动惯量，其瞬态过程不能忽略，爬山搜索法在进行下一步的搜索过程中，需要等待系统达到稳定状态之后才能继续，这将导致整个系统瞬态响应速度较慢，影响系统的控制性能。 永磁同步电机的控制 永磁同步电机的控制方法有很多种，其中，直轴电流 id = 0的方法是比较常用的一种。 即 当永磁同步电机定子电枢电流的直轴分量在控制过程中始终等于 0，此时， 永磁同步电机的电压简化为 ud = −ωrLqiq uq = Rsiq + ωrLmdif 直轴 电流 id等于 0，相当于等效直轴绕组开路不起作用。 因此，如果不考虑定子直轴电压分量，仅仅从交轴电压方程来看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机。 定子电枢绕组中只有交轴电流 iq； 励磁磁链等于转子永磁磁极产生的磁链且恒定不变 ； 等效交轴绕组中的励磁电势与转子角速度成正比，所以电磁转矩与交轴电枢电流成正比， 即 Te = Pnψfiq。 从而 对电机的控制就变得十分简单。 除此之外，还有 cosψ= 1（单位功率因数）和磁链恒定的控制方法，其主要不同在于给定的电流参考大小有所不同，如下表： 表一 三种永磁电机控制方法的区别 模式 id＝ 0 cosφ = 1 磁链恒定 id 0 {−ψf +[ψf2 −4(Ld − Lq)LqIa2]12}2(Ld −Lq) {−Ldψf + [Ld2ψf2 −(Ld2 −Lq2)Lq2Ia2]12}Ld2 −Lq2 iq Ia (Ia2 −id2)12 (Ia2 −id2)12 上图中， Ia为相电流峰值。 其中，永磁电机的控制方框图如下： 图 6 永磁电机控制方法的一般框图 id = 0的控制方法，其特点主要有： (1)由于定子电流 d 轴分量为 0， d 轴阻尼绕组与励磁绕组是一对简单 耦 合的线圈，与定子电流无相互作用，实现了定子绕组与 d 轴的完全解 耦 (2)转子磁链 ψ、与定子电流 iq 轴分量 解耦 ，相互独立 (3)定子电流 d 轴分量为 0，使永磁同步电动机数学模型进一步简 化 (4)随负载增加，定子电流的增加，由 以上公式 可知，定子电压矢量和定子电流矢量的夹角将增大，造成同步电动机功率因数降低。 据此，永磁电机总的控制框图如下： id = 0控制方式的方框图 背靠背拓扑控制框。