一种基于永磁风力发电机的最大功率点跟踪控制新方法

南京理工大学毕业设计(论文)外文资料翻译学院（系）：自动化学院专业：电气工程及其自动化姓名：高临学号： 0808190202外文出处：Proceedings of 2005 IEEE Power(用外文写)Engineering Society General Meeting附件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文。

附件1：外文资料翻译译文一种基于永磁风力发电机的最大功率点跟踪控制新方法R.Esmaili, IEEE学生会员 , L.Xu, IEEE会士，D.K.Nichols, IEEE会员摘要—本文讨论了在变速风力作用下，通过使用升压DC-DC转换器实现风力机最大功率点跟踪的方法，这种控制方法新颖简单。

永磁发电机的输出电压通过三相整流器和DC-DC转换器被连接到一个固定的直流母线。

最大功率点跟踪算法计算出对应于风力机的最大输出功率的速度命令。

DC-DC转换器使用这个速度命令控制永磁发电机的输出功率，因此，发电机转速便可以跟踪这个命令速度。

由PWM电压源逆变器调节的电流通过平衡直流母线的输入功率和输出功率，将DC-DC转换器的输出电压保持在一个固定值上。

此外，该逆变器可提高功率因数，并且将电流注入到公用电网时，具有非常低的的谐波失真。

同时发电系统具有效率高，灵活性好和成本低的潜力。

关键词—DC-DC转换器，最大功率点跟踪，永磁发电机，PWM逆变器，速度控制，变速风力发电机组Ⅰ.引言实现风力机的最大功率发电是电气工程领域一个研究热点，许多类型的变速发电系统已经被研究过，以实现这一目标。

变速发电系统在风力发电中的应用，可以增加来自风能的捕获功率。

事实上，这个基于永磁发电机（PMG）的系统是最有利和可靠的发电方法之一。

然而，由PWG直接产生的电力存在着变化的幅度和频率，需要额外的条件来满足电力网络/或传统负载的幅度和频率要求。

为了找到一个合适而廉价的解决电力条件问题的方法，许多类型的电力电子转换器被引入，其结果是令人鼓舞的[1][2][5]。

变速永磁发电机在风力发电机组的应用可以增加风的能量捕获，能解决诸如噪音等其他问题，并且提高工作效率。

例如，在一个风力机系统中如果使用变速箱，噪声、功率损失、额外费用和潜在的机械故障均可能会导致问题。

使用变速永磁发电机可以解决这些问题[8]。

在变速永磁发电机系统中，经常使用矢量控制方法来达到对于供应方的电源转换器的解耦的有功功率和无功功率控制，这是一个电流调节电压源逆变器。

用这种方式，电力转换器能保持直流母线的电压，提高电力系统的功率因数[4][5][9]。

变风速风力发电机的最大功率跟踪的不同控制方法已经在[5] [6] [7]中讨论。

为了在不用测试风速或发电机速度时实现最大功率点跟踪，这项研究提出了一种新的控制方法及其相关功率变换器的拓扑，这对于小尺寸和低成本的风力机具有很大的意义。

并且，在PSIM的软件仿真中，用永磁发电机和背对背的AC-DC-AC电力转换器来描述研究风力发电系统的电路拓扑和控制方法。

同时，研究中还包括风力发电机组的动态特性。

本论文组织如下：在第Ⅱ部分，对于风力机气动特性和最大功率点跟踪方法的原则进行了解释。

在第Ⅲ部分，讨论系统配置，电路拓扑，和电力转换器。

在第Ⅳ部分，展示仿真结果以确保速度控制和最大功率风能捕获的控制方法正常工作。

第Ⅴ节总结了整个系统的优势，并给出了一些总体评论。

Ⅱ.风力发电机组A.风力发电机的空气动力特性由风力机从风中捕获的机械功率可以用公式表示为[3]：(1)其中，ρ：空气密度（kg/m3）A：扫掠面积（）：风力机的功率系数v：风速（米/秒）因此，如果空气密度，横扫面积和风速是恒定的，风力机的输出功率将是风力机的功率系数的函数。

此外，风力机通常具有-TSR的曲线特征；其中，TSR即叶尖速比，由以下公式给出：(2)在（2）中，ω，R，和V分别为风力机转子速度，风力机叶片的半径，风速，单位分别为“rad / s”，“米”，“米/秒”。

图1显示了风力机典型的-TSR曲线。

图1.功率系数与叶尖速比从图1可以看出，在处，达到其最大值，这时风力机有最佳的效率；因此，风力机从风中捕获最大功率。

图2显示了当风速从v1变化到v3（V3> V2> V1）时，风力发电机组的输出功率随转子速度的改变。

从图2中可以看出，举例来说，如果风速为V1，当转子速度为ω1，可捕获到最大功率;换句话说，该系统的运行点是点A，对应着最大输出功率。

如果风速从V1变化到V2，而转子速度ω1是固定的，系统的工作点在B点，这不能实现最大功率点跟踪。

转子的转速应从ω1增加到ω2，结果在C点找到最大功率。

图2.三个不同的风速下输出功率随转子转速变化图根据（2）和图1，最佳的转子速度可估计如下：→ (3)然而，测量风力机的转子的风速是非常困难的；因此，为了避免使用风速，（1）式需要加以修订。

通过将风速从（3）等效为（1），风力机的输出功率可如下表示：(4)最后，目标转矩可以写成如下：(5)其中,B.最大功率跟踪算法该算法包括以下几个步骤：1.选择初始参考转子速度，并测量发电机的输出功率；2.通过某一步长来增加或减小参考转子速度，并再次测量输出功率；3.计算Sign（△P）和Sign（Δω）；4. ωref（N）=ωref（N-1）+Sign（△P）Sign（Δω）ωstep；5.从步骤3开始重复，以达到最佳工作点。

图3可以使该算法更清晰。

我们假设风速为v1，风力机的运行点为A点，用P-ω特性曲线中的（，）表示。

同时，我们假设，风机转速按步长每次增加ωstep，这会增加到新的速度，则新的运行点是（，），使得：→第一次迭代后，新的工作点变成（，）。

迭代过程将持续到系统工作点变成（ω1，），对应于风速为V1时的最大功率。

如果风速变成v3，新的工作点将会在（ωD，）点被搜索到，使得：→下一个点将是（，），同样地，这个过程会继续以相同的方式进行，直到最后的工作点是（ω3，）的，对应于风速为V3时捕获的最大功率。

现在，如果风速变化到v2，工作点将移动到（ωF，），结果：→在这种情况下风力机转速应适当减少，工作点应当设定在（，）点：→在这种情况下，参照风机速度确实下降，工作点向（，）转移。

这个过程会继续，直到新的工作点到达（ω2，P2），此时这就是风速为v2时的最佳工作点。

图3 汽轮机最大功率追踪工作点的调整III电力电子及控制策略A、电路拓扑图4是风力发电系统的建议电路拓扑图，它是用来实现上述的最大风能功率捕获的原则。

该系统包括一个风力机（WT），一个永磁发电机（PMG），三相二极管整流桥，升压型DC-DC转换器，电流调节PWM电压源变频器（CRPWM）。

图4 风力发电系统的拓扑该系统具有以下特点：a)永磁发电机有较高的性能，与其他类型的发电机组相比，效率较高，无励磁电流，有较小的内部尺寸与重量；b)从永磁发电机产生的交流电通过二极管整流桥被转换成直流电，这是简单，强劲，价格便宜，不需要控制的电路；c）只有一个用于DC-DC转换的电源开关设备，成本低，控制简单。

下面将对电力转换及其控制方法进行讨论。

B．DC-DC转换器和控制算法升压转换器的基本结构和控制拓扑如图5所示。

此转换器将直流母线划分为两个层次：在整流二极管的输出端子的直流母线电压是一个可变的直流电压，在电压源逆变器的输入端，直流母线电压是由一个固定的直流电压送入。

通过改变DC-DC 转换器的切换工作周期，发电机整流系统的输出电压是可以控制的。

这个电路的目的是为了控制PMG的轴转速，以便于风力机从风中捕获最大功率。

图5. 电源电路和DC-DC变换器的控制拓扑结构状态方程（6）描述了DC-DC升压转换器，其中指0或1的开关状态值。

(6)C．旋转的参照系中的有功和无功功率图6显示了一个平衡三相系统的矢量表示，以及在旋转d-q参照系中的等效向量。

图6. 旋转参照系的定义通过使用随时间变化的转换，ABC三相系统中的变量可以转化为旋转d-q参考系(7)= T (8)(9)其中，变量“F”可以定义为系统中的一组电压或电流。

此外，在平衡的三相系统中，通常称为零序分量，等于零。

在三相系统的瞬时功率公式如下：(10)使用派克变换矩阵，将电压和电流矢量从（9）变换为（10）：(11)从图6可知旋转参照系的选择方式为：Vq= 0，Vd=| V |，所以有功功率的方程在旋转参照系可以简化为:(12)以类似的方式，旋转参照系的无功功率的方程为：(13)D.供应侧变流器控制策略图7显示了供应侧转换器的简化表示，其中包括一个直流侧电容，一个3相PWM 逆变器，转换器的输出端通过串联阻抗接到公用电网。

图7.输入端变流器安排在图7中，使用KVL定律，电压方程可以表示为：=+(14)其中，通过变换矩阵，将电压方程转化为同步参照系：(15)基于（15），对于有功功率（或id）与无功功率（或iq）提供解耦控制，逆变器的输出电压在同步参照系应该是：(16)(17)通过将（16）（15）变换为方程（17），系统的解耦方程可以改写如下：(18)从（12）和（13）可以看出，有功和无功功率能够通过id和iq分别控制。

因此，通过反馈环路的定义，（16）和（17）的控制定律如下：(19)(20)图8显示了基于矢量控制算法的输入端逆变器的控制框图。

图8.供应侧逆变器控制策略的示意图IV．仿真结果为了检验在第III部分中PMG速度控制的算法，当风速改变时，使用PSIM的软件补充动态仿真。

这一部分解释了2套仿真结果。

表一显示了PMG用于仿真的参数。

表I永磁发电机参数A．PMG的速度控制在这种情况下，发电机的参考风机速度是DC-DC升压逆变器开关模式的指令信号。

图9-d显示，假设风速已经改变，当参考命令风力机信号呈线性增加，从80到120转/分，再从120到200转/分，最后从200线性下降到160转/分时，发电机的速度跟踪特点。

从图9-a和b中可以看出，通过控制DC / DC升压转换器的输入电流，便可以控制发电机整流系统的输出电压，使发电机轴跟踪速度命令。

如图4所示，调节PWM电压源逆变器的电流被用作直流母线总线与公用电网的接口。

此逆变器可保持直流母线电压为一个恒定电压。

如图9-c所示，这个系统中的直流母线电压调整在810伏特。

此外，它可以提高功率因数，减少电流谐波失真。

从图10可以看出，系统的功率因数被调整为单位功率因数，注入电流的总谐波失真小于3％。

图9.汽轮机转速跟踪B.最大功率跟踪模拟程序采用图11显示的典型的风力机的特点。

由图表显示，在三种不同的风速下，风力机的最佳工作点为（175r/min，10KW），（188r/min，15KW），（203r/min，20KW）。

在这个仿真中，算法迭代时间和ωstep分别选择1秒和2转/分。