摘要：以直驅風力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，選用背靠背雙PWM的拓撲結構，針對永磁同步風力發(fā)電機機側的控制策略進行分析。在建立永磁同步風力發(fā)電機數(shù)學模型的基礎上，基于isd=0的轉子磁場定向控制，設計了電流內環(huán)轉速外環(huán)的雙閉環(huán)控制器，并對控制原理在Matlab／Si mulink上進行仿真實驗，驗證了該控制策略的正確性。
關鍵詞：直驅風力發(fā)電；PWM變流器；矢量控制；仿真分析

    永磁直驅風電系統(tǒng)，發(fā)電機的轉子與風力機直接耦合，省去了齒輪箱，改善了機組的性能，提高了穩(wěn)定性。永磁直驅風電系統(tǒng)不需要電勵磁，提高了機組的發(fā)電效率。本文以直驅風力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，選取背靠背雙PWM的拓撲結構。風力機定槳距下，風速不變時，輸出功率隨著轉速變化，要跟蹤最大輸功率Pmax必須根據(jù)風速實時凋節(jié)轉速ω以保持葉尖速比為λopt。因此最大風能捕獲過程可理解成是轉速的調節(jié)過程，即轉速的調節(jié)性能決定最大風能捕獲的效果，因此本文在建立永磁同步風力發(fā)電機數(shù)學模型的基礎上，基于isd=0的轉子磁場定向控制，機側選取電流內環(huán)、轉速外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，實現(xiàn)電機的解耦，進而實現(xiàn)最大風能捕獲。最后，根據(jù)控制原理，在Matlab／Simul ink中搭建了永磁風力發(fā)電系統(tǒng)機側的仿真模型，并對其進行了仿真分析，仿真結果驗證該控制策略的正確性，能達到預期的控制目1 永磁同步風電機的數(shù)學模型機側主電路的拓撲結構如圖1所示，為簡化分析，作如下假設：永磁材料電導率為零，忽略漏感的影響，不考慮磁飽和的現(xiàn)象，定子各相電樞繞組電阻值、電感值相等，氣隙分布均勻，轉子磁鏈在氣隙中正弦分布。由此得到其等效電路，根據(jù)等效電路通過坐標變換得到PMSG在兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型。

2 機側的控制策略
    為滿足風電系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)最大風能的捕獲，發(fā)電機轉速應根據(jù)風速變化實時調整，快速響應，而對轉速的調整也即是對轉矩的控制，其控制策略有基于轉子磁場定向矢量控制及基于定子磁場定向直接轉矩控制，本文選取零d軸電流控制，即基于的轉子磁場定向矢量控制，并在上一節(jié)永磁同步發(fā)電機的數(shù)學模型基礎上，設計了電流內環(huán)轉速外環(huán)的系統(tǒng)控制策略。其控制框圖如圖2所示。

    圖2中通過前饋補償?shù)姆椒?，加?omega;eLqisq和ωeLqisd+ωwψf，作為干擾前饋項對耦合項ωeLqisq和ωeLdisd進行補償?？刂七^程為，測量發(fā)電機的電角速度及定子電流iA、iB、iC，并利用坐標變換得到isd、isq，最佳轉速ω*與實際轉速ω比較后經(jīng)PI調節(jié)器得到q軸電流的參考值，與直接電流值isq比較后經(jīng)PI調節(jié)器后經(jīng)電壓補償環(huán)節(jié)得到q軸電壓的參考值usq。電流內環(huán)中，d軸電流參考值，與實際電流值進行比較后經(jīng)PI環(huán)節(jié)冉經(jīng)電壓補償環(huán)節(jié)得到d軸電壓的參考值usd。usd與usq經(jīng)過兩相同步旋轉dq坐標系到兩相靜止αβ坐標系的變換得到在αβ坐標系下的參考電壓uα與uβ，利用空間矢量脈寬調制原理產生PWM波形來控制整流器的開關以達到對最大風能的捕獲。

3 系統(tǒng)的仿真分析和結果
    為驗證控制策略的正確性，按圖2的控制框圖，在simulink中搭建機側控制模塊如圖3所示，取空氣密度ρ=1．225，葉輪半徑R=32m，設計永磁電機的參數(shù)：定子電阻Rs=6mΩ，Ld=Lq=8．5mH，np=32，用1200V的直流電壓源代替直流側電壓。

    開關頻率取2000Hz，風速在0．3s時由4m／s躍變到8m／s，觀察輸出波形，如圖4所示。

    由圖4看出風能利用系數(shù)能夠穩(wěn)定在最佳風能系數(shù)0．48的最優(yōu)狀態(tài)：由圖5可看出，定子電流穩(wěn)定為0，實現(xiàn)了=0的控制：在圖6中，風速突變后，最終也能穩(wěn)定在一個定值；從圖7可以看出，發(fā)電機轉速在風速為4m／s時穩(wěn)定在對應該風速的最佳轉速rad／s，而風速變到8m／s時，穩(wěn)定在8m／s對應的rad／s，能快速響應，調節(jié)轉速為最佳轉速；而根據(jù)轉速的響應變化，其機側功率如圖8所示，可見能實現(xiàn)最大風能的捕獲。

4 結束語
    本系統(tǒng)采用背靠背雙PWM變流器，根據(jù)實時的變化控制其電機性能，提高系統(tǒng)的效率。本文在建立了永磁風電系統(tǒng)的數(shù)學模型后，在最大風能捕獲及電機的解耦控制基礎上，在Matlab／Simulink下進行了建模仿真，仿真結果論證了基于的轉子磁場定向矢量控制策略的可行性。仿真結果表明，該控制方法能根據(jù)風速變化文時跟蹤電流和轉速的變化，實現(xiàn)最大風能捕獲，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。