探讨直驱永磁风力发电机最优风能控制

探讨直驱永磁风力发电机最优风能控制

赵磊

（广州发展新能源股份有限公司510623）

摘要：目前，虽然在整个风力发电系统中，双馈型风力发电系统仍占主流地位，但是直驱型发电机组凭借其固有的优势已经开始越来越受到关注。直驱型风力发电系统采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机（PMSG）发电，然后通过功率变换电路将电能进行转换后并入电网，省去了传统双馈式风力发电系统中故障率较高的齿轮箱这一部件，系统效率大为提高，有效地抑制了噪声，提高了系统的运行可靠性，因而得到了市场青睐。

关键词：最优控制；直驱永磁风力发电机；风能

风能作为清洁能源，越来越受到全球各国的关注，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分，根据全球风能理事会今年4月发布的全球风电市场发展报告，2017年全球风电年新增总计达到52.492GW，全球风电总装机容量达到539.123GW。据中电联统计，2017年，我国新增并网风电装机15.03GW，累计并网装机容量达到164GW，占全部发电装机容量的9.2%。风电年发电量3057亿千瓦时，占全部发电量的4.8%，比重比2016年提高0.7个百分点。2017年，全国风电平均利用小时数1948小时，同比增加203小时。2017年全年弃风电量419亿千瓦时，同比减少78亿千瓦时。随着海上风电和分散式风电的发展，预计2018-2020年均风电新增或达31GW。2018-2020年，中国保持年新增装机容量全球第一的位置，到2020年我国风电总装机容量将超过2亿千瓦。因此，对于风力发电机中最大风能捕获控制成为了各国研究的焦点。

各国对基于双馈感应发电机（doublyfedinductiongenerators，DFIG）的风力机发电技术的研究很多，目前已经发展成熟。然而对于直驱永磁同步风力发电机组（D-PMSG）的研究则相对较少，因其以效率高、寿命长、噪声小、发电机结构简单和维护工作量小等特点，在风力发电领域受到了越来越多的重视，而且根据分析，直驱永磁发电机有望逐渐成为大型风力发电机组的主流，并首先会在对发电机组的可靠性和可维护性要求更高的海上风电场获得大规模的应用。

1直驱型风电机组变流器拓扑结构

低压系统中全功率变流器的两种拓扑结构最简形式如图1。对于主动整流拓扑而言，三相电压型逆变器取代了不控整流和升压斩波单元，控制发电机负载转矩，从而实现对电机转速的调节。这种拓扑结构采用双PWM（PulseWidthModulation）全功率变流器，能够实现对发电机的高性能控制，也避免了不控整流和升压斩波两级结构给系统增加的复杂性，减少了发电机的铜耗和铁耗，并可调节发电机功率因数为1，具有较好的发展前景。鉴于电机侧变流器与电网侧变流器控制策略的侧重点各有不同，在此提出了电机侧变流器和电网侧变流器分开控制的控制方法（系统控制框图如图2所示），可以实现对它的有效控制，从而产生高可靠的动态特性。

图2永磁直驱式风力发电矢量控制系统结构框图

2电机侧变流器控制策略

通过控制发电机组的转速来实现最大风能跟踪，使发电机转速能跟踪不断变化的风速，从风中获取更多的能量：当风速在额定风速以下时，系统进行转速控制的目的是保证机组运行在最大风功率追踪状态下；当实际风速高于额定风速时，受机械强度、发电机容量和变频器容量等限制，必须降低风轮捕获的能量，使功率保持在额定值附近，此时桨距角控制需要起作用，以保证机组保持在额定功率附近。

风机输出的功率大小会随着转速的变化而变化。对任意一个风速，都有一个最优转速使得功率最大。因此，风机控制的目标是要控制转速使风机始终运行在输出功率最大点。当桨距角一定时，存在一个最优的叶尖速比λ使得风能利用系数Cp最大，也就是使输出功率最大。根据公式要实现风能的最大功率跟踪，则必须根据风速来调节发电机转速大小，从而维持最优叶尖速比。

永磁同步发电机的电磁转矩取决于电动机的定子电流，对于直驱风力发电系统，采用永磁同步发电机，没有增速机构，因此风力机在各种风速下的转速就对应发电机相应的转速，即ω=ωg（ω是风机转速，ωg为发电机转速），因此要使风力机的转速时刻跟踪风速，保持为该风速下的最优转速，就是使发电机的转子转速跟随风速并保持某风速下的最优转速。发电机转速控制方式需要先检测风速信号，再通过风速最优转速的关系自动寻找到最优转速，将最优转速作为参考转速输入到电机驱动器中，通过速度闭环系统使发电机达到最优工作点。由于发电机的速度和电磁转矩有着直接的关系，因此可将力矩环节作为速度环节的内环进行设计。对于永磁电机不需要励磁电流，定子电流只产生转矩，在旋转坐标系下，永磁电机的电磁转矩只与q轴电流相关，而与d轴电流无关，所以力矩环节的控制可以转化为电流环节的控制。于是，只需通过控制q轴电流即可实现发电机转矩转速的控制。速度控制方式是以电流控制为内环，速度控制为外环的闭环控制系统。发电机侧变流器的主要作用是根据实际风速的变化，调节输出电压信号Ug和电频率fe根据永磁电机的矢量控制原理，通过对发电机转子电流矢量的相位和幅值进行控制即可达到调速的目的。从永磁电机的转矩公式可以看出，当永磁体的励磁磁链和直交轴电感确定以后，发电机的转矩便取决于定子电流的空间矢量ig而ig的大小和相位又取决于id和iq，通过对这两个电流的控制就可以控制发电机的转矩。一定的转速和一定的转矩对应于一定的id和iq。，通过对这两个电流的控制，使实际id和iq。跟踪指令值i*d和i*q。，便实现了发电机和速度的控制。

结论：“十三五”规划中，新能源继续被作为战略性新兴产业的重要内容。我国的风电总装机容量将进一步增加，加快结构调整步伐，非化石能源和天然气消费比重分别提高2.6和1.9个百分点，煤炭消费比重下降5.2个百分点，清洁化步伐不断加快。水电、风电、光伏发电装机规模和核电在建规模均居世界第一。非化石能源发电装机比例达到5％，新增非化石能源发电装机规模占世界的40%左右。因此开展风电接入系统的运行与控制技术研究对保证风电大规模接入后电力系统的稳定运行具有十分重要的意义。变速恒频风力发电是20世纪末发展起来的风能开发技术，正成为风电技术的主流，具有运行效率高、机组磨损小、电能质量佳等优点。如何对风电机组进行控制使其运行在最优的功率状态下，已成为最近研究的一个热点。与双馈风力发电机组相比，直驱型同步风力发电机组省去了易损坏的齿轮箱，提高了系统效率和可靠性，采用永磁体励磁，不存在励磁绕组损耗问题，具有较强的低电压穿越压力，目前已成为风电机组的主要机型之一。

参考文献：

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