永磁风力发电系统及其功率变换技术

马强

摘要：日前，风力发电系统中应用的永磁发电机形式较多，多数系统以外转子镜像磁通和内转子镜像磁通为主，未来永磁风力发电机的结构会更加丰富，制造工艺逐步趋向模块化，控制技术也更加智能化，最终实现风力发电的大型化和规模北，以解决"能源紧缺"的现实问题。

关键词：永磁;风力发电;功率

前言

风力发电是我国近几年重点研究的"课题"。风力发电在实践中休现出了以下2个方面的特征：（1）风力发电要求风能密度较高，要使风力发电获得大功率风能，必须要有大直径的风力机，因此，一般兆瓦级的风力机，桨叶长度达到数十米到百余米，但是直接影响了风力机的转速;（2）风能的不稳定性和多变性较强，而发电则对电压和频率的稳定性要求较高，所以，需要应用变速恒频控制技术。在输出功率不变的基础上，电机的转速和电机的体积呈反比，为了减少成本，需要减小电机的休积，对此，业界通用的技术为多级增速技术，该技术虽然降低了发电成本，但是增加了电机维护工作量，针对该矛盾，需要应用永破发电机优化风力发电系统。

1不同结构风力发电系统的特征

1.1高速双馈感应发电机

双馈电机定子绕组的电压会受到电网运作频率的影响，所以，双馈电机定子绕组的运行范围受到了一定的限制，确定电网运作频率后，可以确定双馈电机定子绕组的极数。例如，某高速双馈感应发电机的转速为1750r/min（额定转速），运行速度约150r/m肌需要采用四极电机，若电网的频率为50Hz，那么电机的同步转速为1500r/min，同时，考虑高速双愤感应发电机的转子绕组变流器功率特征，在电网运作频率为50Hz的情况下，永磁电中几所需的功率反而高于高速双馈感应发电机。同时，因为额定转速高于同步转速，在运作过程中，双馈发电机的电流频率相对较高，变流器供电系统产生的谐波会增加电机在运作过程中的损耗，所以，应用高速双馈感应发电机时，还应考虑、转子的散热问题。

1.2高速永磁发电机

根据日前的风力发电技术，在风力发电系统中，若用永磁发电机替代传统的双馈感应电机，则无需风力发电系统中的电刷和电环装置，这就在一定程度上减少了电机中铁、铜的泊在，提高了电机运作的可靠性和稳定性，同时，提高了电机的运作效率。ABB公司的1.5MW高速永磁发电机和传统的双馈感应电机相比，电机尺寸可缩小13%-20%。因为采用全功率变流器，发电机的输出电压工作模式发生了一定的变化，因此，功率和电机的转速没有直接关系，提高了风力发电系统运作的稳定性。若该系统采用永磁发电机，那么极数的选撵就不局限于4极，而是可根据实际情况选用4极、6极、8极，极数越多，发电机的尺寸越小，所使用的材料也越少。

1.3中速半直驱永磁发电机

中速半直驱永磁发电机在风力发电系统中的应用是一种相对折中的方案，相对来说，中速半直驱永磁发电机可有效提高风力发电系统的灵活性，变速箱的运作可靠性、发电机的性价比等因素得到了协调，技术人员能够在确定增速箱传统比的基础上对结构进行合理的调整。相对困难的是，电机运作速度、额定转速、速比和增速机构的选操比较困难，中速半直驱永磁发电机多采用两级增速结构或者一级增速结构，和芬兰公司开发的直驱永磁风力发电机的额定转速相比，中速半直驱永磁发电机的使用更加灵活。

1.4低速直驱永磁发电机

（1）电机结构的选取。永磁电动机的结构丰富，磁通选抨为横向、轴向、径向，不同的结构对电机的制造成本、性能有直接的影响。（2）电机槽数的选择以及电机极数的选择。因低速直驱永磁发电机的体积大，所以，电机的转速和电机的输出电压没有直接关系。（3）电磁负荷的选择。低速直驱永磁发电机的磁通变化相对较小，而定子绕组的臣数却相对较多，定子绕组的消耗较大，需要合理调整定子绕组。（4）冷却方式的选择。低速直驱永磁发电机休积大决定了其热量大，需要采取强制风冷才能够保证电扪运作可靠性。

2系统结构原理和建模

2.1系統结构

本文使用的D-PMSG的结构，风力机与电机转子直接耦合，机侧采用三相不可控二极管整流桥式电路加上BOOST升压电路，网侧采用了PWM逆变电路。首先三相不可控二极管整流桥将发电机定子的输出电流进行整流，然后利用DC/AC将电压稳定控制，最后利用网侧的逆变器逆变后馈入电网。

2.2风力机特性

风力机是D-PMSG中不可或缺的装置，其基本的工作原理是：利用风轮叶片将风能捕获，并随即将其转化为机械能，然后以转矩的形式输入到发电机中。

3模糊控制器的设计

3.1输入输出量的模糊集合及论域

基于前面的分析可知，通过改变BOOST升压电路的占空比D的值可以控制风电系统的输出功率，因此可以选择BOOST电路的本周期和上个周期占空比的差值、本周期输出功率的差值作为模糊控制的输入信号量，并将其模糊化处理，然后经过模糊规则库进行逻辑推理后可以得出下个周期的所需改变占空比的大小和方向。

3.2模糊规则

根据本文中对D-PMSG的MPPT控制效果要求，当系统输出功率减小了，则应该调整原来的扰动方向，如果系统输出功率增加了，则应该按照原来的步长来稍许继续增加。当距离系统MPP较远时，应该使用较大的步长进行跟踪，当距离MPP较近时，则应该使用较小的步长进行跟踪。

4仿真结果及分析验证

本文的仿真参数如下：空气密度ρ=1.225kg/m3，风轮半径R=4m，风电机的桨距角β=0o，PMSG参数为：定子相电阻Rs=0.05Ω，定子绕组电感L=3.95×10-4H，转动惯量J=0.192kg·m2，极对数36，本文中风电机组不计摩擦系数，输入的阶跃风速为12m/s～15m/s，BOOST电路负载R=15Ω，设定仿真时间为2s。利用Matlab/Simulink仿真软件搭建D-PMSG系统MPPT的整体模型。通过上述仿真分析可以明显看出，这三种方法都可以实现PMSG风电系统的MPPT，但是固定步长算法由于步长的一成不变，所以在整个2s内的追踪过程和在1s时风速由12m/s突变成15m/s时波动都非常明显。变步长爬山算法因为会根据追踪的情况来改变步长，所以在0.4s、1.4s和1s风速变化时都一定程度上减小了波动，但是在追踪到MPP之前负载端电压和电机转速还是存在波动。基于模糊控制的MPPT因为通过使用模糊推理得到的自适应步长，与设定的变化步长相比，很明显自适应步长更具有优势，所以不但能和爬山法几乎同时追踪到MPP，且其电机转速和负载端电压的波动在0.4s、1s、1.4s相比于变步长爬山法都明显变小。综上所述，所得仿真结果证明了本文提出的基于模糊控制的MPPT的有效性，且相较于固定步长和变步长算法更有优越性。

结束语

本文经过对D-PMSG的原理和结构的分析，阐述了基于BOOST电路达到MPPT的原理，提出了一种基于模糊控制的D-PMSG的MPPT控制策略，结合MPPT与模糊控制原理设计了D-PMSG的MPPT模糊控制器。搭建了Matlab/Simulink仿真模型，对比分析仿真结果验证了所提控制策略的有效性和优越性。

参考文献：

[1] 赵仁德，王永军，张加胜.直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制[J].中国电机工程学报，2009，29（27）：106-111.

[2] 廖勇，庄凯，姚骏，等.直驱式永磁同步风力发电机双模功率控制策略的仿真研究[J].中国电机工程学报，2009，29（33）：76-82.

（作者单位：中广核新能源投资（深圳）有限公司新疆分公司）