PMSM风电系统最大功率点跟踪的无源控制

PMSM风电系统最大功率点跟踪的无源控制

王刚

国家电投内蒙古蒙东协合新能源有限公司028000

摘要:分析直驱永磁风力发电系统各组成部分的关系，建立永磁同步电机风力发电系统各组成部分的数学模型;基于最佳叶尖速比的最大功率点跟踪策略和非线性无源控制理论，设计基于无源控制的最大功率点跟踪方案;在Simulink中搭建PMSM风电系统各组成部分和控制系统的仿真模型并进行仿真试验。结果表明:非线性无源控制控制器能够实现最大风能功率的跟踪;控制效果良好，风能利用系数Cp稳定运行在0.48左右。这验证了所提方案的可行性和有效性。

关键词:永磁同步电机;风力发电系统;无源控制;风能利用系数

引言

新能源的开发利用是当今世界各国普遍关注的研究热点。在众多新能源中，风能是一种可再生能源而且资源丰富，具有开发利用方便、技术较为成熟、成本低、可靠性高等优势，所以风力发电发展迅速，成为众多学者研究的热点［1-2］。与其他风力发电机组相比，直驱永磁风力发电机组维护成本低、噪声小，具有较好的低电压穿越能力，广泛应用于低转速、大功率的风场［3-5］。

1PMSM风力发电系统模型

风力发电机组的控制目标是风能的利用效率达到最高，即动态地追踪风电系统的最大功率点。最佳叶尖速比法算法简单、易于实现，是风电系统最大功率跟踪常用的控制方法之一。传统的风力发电机组控制理论有矢量控制、直接转矩控制，虽然可以获得良好的动、静态性能，但是矢量控制的计算复杂，且参数变化时影响控制性能，使系统的鲁棒性降低，而直接转矩在控制发电机启动和低速运行时波动比较大。随着控制理论的不断发展和完善，许多非线性控制方法被应用到PMSM风力发电系统中，例如增益调度控制、滑模变结构控制、鲁棒控制、智能控制、无源控制等。其中无源控制器具有结构设计容易、算法易于编写以及较强的鲁棒特性，被广泛应用在永磁风力发电机组中。

本文基于能量储存、配置互联和阻尼矩阵的非线性无源控制算法，建立PMSM风电系统受控端口Hamilton系统模型，即PMSM风电系统的PCH模型。提出一种基于最佳叶尖速比和无源控制的PMSM风电系统MPPT(maximumpowerpointtracking)控制策略，并利用Simulink平台对所提出的控制策略进行仿真，验证其有效性和可行性。

1.1风力机和传动链模型

自然风吹动风力机使其产生旋转机械能，风机获得的机械能为：

由图1可知，采用最佳叶尖速比法的MPPT控制器算出的最佳发电机转速ω*e与发电机实际转速ωe通过PI调节输出期望的i*q，再将id=0、i*q、ω*e、ωe作为无源控制器的输入，生成d-q轴的两个电压分量ud、uq，最后采用SVPWM调制出变流器需要的脉冲。

3仿真与分析

为了验证最佳叶尖速比的无源控制策略的有效性和可行性，在MATLAB/Simulink中搭建系统仿真模型，如图2所示。

风速波形在0.5～0.6s和1.9～2.1s模拟渐变风;在1s和1.5s模拟阵风。发电机转速能够迅速跟随风速的变化，尤其在出现阵风时实现快速动态跟随风速，系统具有良好动态性能。叶尖速比动态响应和风能利用系数动态响应，响应过程良好，叶尖速比λ一直稳定运行在8.1附近，风能利用系数始终保持在0.48左右，由此可见，该控制策略实现了风力发电系统的最大功率点跟踪。发电机的d-q轴、a相电流响应曲线，d轴电流一直稳定在0左右，q轴电流、a相电流都能够动态跟随风速的变化而变化，并且跟由仿真结果可以看出，采用基于最佳叶尖速比的无源控制策略可以实现风能的最大功率跟踪，系统稳定，控制效果良好。

4结论

根据能量储存和端口受控的Hamilton系统原理，完成了PMSM风电系统的PCH系统建模，并设计了基于最佳叶尖速比的无源控制器，实现了PMSM风电系统最大功率点跟踪控制，系统各参数动态性能良好，不管风速如何变化，最大功率点始终稳定运行在最大风能利用系数0.48附近。

参考文献:

［1］王成富．风力发电研究现状及发展趋势探讨［J］.低碳世界，2013(21):63-64．

［2］霍志红，郑源，左潞．风力发电机组控制技术［M］.北京:中国水利水电出版社，2010．

［3］夏长亮．永磁风力发电系统运行与控制［M］.北京:科学出版社．2012．

［4］尹娜娜．双PWM变流器在直驱永磁风力发电系统的应用［D］．西安:西安理工大学，2010．

［5］叶航治．风力发电机组的控制技术［M］．北京:机械工业出版社，2009．