直驱式永磁同步风力发电系统

最简单有效的一种寻优方法是爬山搜索法。
增大或减少占空比，实时检测系统发出的功率。如增大，则继 续朝这个方向调整占空比；如减少，则向相反的方向调整占空 比；如向两个方向调整占空比，系统的功率都减少，则到达了 最大功率点。
优点：控制思路简单，可靠。
不足：步长的选择影响追踪的效果，动态响应 较慢，风速的变化会影响其追踪的效果。
只有在最佳叶尖速比的情况下，风力机吸收的风能才最大。
E ≈ 4.44 f1N1kw1Φm
n nN
f1 f1N
f1 =
pin 60
E1 E1N
对于高额定转速的发电机，必须采用齿轮箱升速； 风力发电系统容量越大，齿轮箱的升速比越大。
2. 齿轮箱带来的问题 （1）降低效率 （2）增加故障率，降低可靠性 （3）增加维护成本
3. 如何能够省去齿轮箱
E ≈ 4.44 f1N1kw1Φm
f1
=
pin 60
增大极对数，就有可能在较低的转速下获得较高的频率和输 出电压。
但双馈风力发电机，极对数增加，转子加工的难度增加，而 且体积和成本也增加，所以无法省去齿轮箱。
电励磁的同步发电机，尽管可以做到极对数增加很多，但体 积会随着极对数的增加而增加得比较快。
iα
αβ
ia
iq
αβ iβ abc
ib
θe
− 0.5πρ R5ωw2tCPmax λ3
opt
θ
∫ ωwt
与不控整流+Boost控制的PMSG控制性能比较
b
9m/s
Ⅱ
b 9m/s Ⅱ
a Ⅰ
6m/s
Ⅲ
a
Ⅲ
Ⅰ 6m/s
转速/(r/min)
显然，前者比后者的最大功率追踪效果好，但控制复杂，成本 较高。
四、PWM并网变换器的工作原理 （1）目标
到。
则转子初始位置与光电编码器的零刻度位置之间的机械角度差
为：
Δθ = θ0 = θe0 / np
设光电编码器读数得到的机械角度为 θ '
转子磁极的实际位置角为： θ = θ ' + Δθ 电角度为： θe = npθ
为精确得到转子位置角，很麻烦。
光电编码器的存在，增加了系统的成本和不可靠性。大部分的 中小型风力发电机，轴上并没有留下安装光电编码器的位置。
⎞3 ⎟⎟⎠
=
ω K 3 opt wt
ω T = P = K mech _ opt
mech _ opt
2 opt wt
ωwt
基于永磁同步风力发电机矢量控制的最大功率追踪框图
id* = 0 + −
iq* + −
1
1.5npψ f
ωe Lqiq
−
+
Sa
ωe (Ldid +ψ f )
Sb
++
Sc
id dq
3 2
npψs
× is
其中： ψs =ψ d + jψ q is = id + jiq
n p 为极对数
( ) ( ) Te
=
3 2
np
ψ diq −ψ qid
=
3 2
np
(Ld id + Ldmi f )iq − Lqiqid
( ) ( ) =
3 2
np
Ldmi f iq + (Ld − Lq )iqid
=
3 2
np
ψ f iq + (Ld − Lq )iqid
电磁转矩与dq轴电流都有关系。但是，如果 Ld = Lq ，或者id = 0
Te
=
3 2
npψ
f iq
与直流电机相似的关系！控制永磁同步风力发电机的电磁转
矩，就是控制其q轴电流分量即可！
( ) Te
=
3 2
np
ψ f iq + (Ld − Lq )iqid
f
⎡vα ⎢⎣vβ
⎤ ⎥ ⎦
=
⎡− sinθe ⎢⎣cosθe
⎤ ⎥ ⎦
ωeψ
f
如在光电编码器转至零刻度时检测发电机的空载端电压，可以 得到：
⎡⎢−
⎡sin θe0 ⎢⎣cosθe0
⎤ ⎥ ⎦
=
⎢ ⎢ ⎢
uα 0 ⎤
uα2 0
+ uβ2 0
⎥ ⎥
uβ 0
⎥ ⎥
⎢⎣ uα20 + uβ2 0 ⎥⎦
此时的转子磁极的位置角 θe0 可以得
2.PMSG的矢量控制与最大功率追踪
在d轴定向于转子磁极后，如果能控制d轴电流为零，那么，永 磁同步风力发电机的电磁转矩与q轴电流成正比，有效控制q轴 电流，就可以有效地控制电磁链矩。dq轴电流的控制框图
id* = 0 + −
iq* + −
ωe Lqiq
−
PI +
Sa
ωe (Ldid +ψ f ) PI ++
目前，有两种典型的直驱式永磁同步风力发电系统：不控整 流+Boost控制的PMSG和PWM整流器控制的PMSG。
二、不控整流+Boost控制的PMSG工作原理
发电机发出的交流电能，经二极管不控整流环节变成直流 电，整流的电压取决于发电机的转速和负载的大小。 网侧变换器则是通过保持直流母线电压稳定而将风力发电系 统发出的电能送到电网。且这个直流母线电压要高于电网线 电压峰值。 为了匹配发电机发出的电压与直流母线电压，需要加一个 Boost电路。Boost电路除升压以外，还能实现最大功率追 踪。控制开关的占空比，可以控制电感电流，即发电机发出 的有功功率。
id 、iq分别是定子电流的dq轴分量
(3)磁链方程
⎧⎪ψ d = Ldid +ψ f ⎨⎪⎩ψ q = Lqiq
⎧⎪ ⎨ ⎪⎩
Ld Lq
= =
Ldm Lqm
+ Lσ s + Lσ s
分别是定子dq轴的自感
Ldm 、Lqm分别为定子dq轴的励磁电感 Lσ s 为定子相绕组的漏感
(4)转矩方程
Te
=
无速度和位置传感器的永磁同步风力发电机的控制，成为中小 型风力发电系统的关键技术。而利用定子电流信息观测转子永 磁磁链的技术，则成为关键中的关键。
根据最佳特性曲线法进行最大功率追踪的原理，只要根据系统 的转速，实时控制发电机的电磁转矩。使二者的关系符合最佳 转矩曲线。就可以实现最大功率追踪。
Pmech
适合于 小转动 惯量的 系统。
不控整流+Boost控制的PMSG的优点和不足：
优点：
电路结构简单。 控制简单，无需位置/速度传 感器，只需少量电流和电压 传感器可实现MPPT。
成本较低，可靠性较高。
不足：
MPPT的效果较差。 低电压穿越的能力较差。 恶劣风况下的控制能力较 差。
适合于小型风力发电系统或对系统效率和性能要求不高的大型 风力发电系统。
三、PWM变换器控制的PMSG工作原理
PMSG的控制，采用全控PWM变换器，可以对发电机的电磁 转矩进行有效控制，进而有效地进行最大功率追踪。 要理解如何对电磁转矩进行准确有效地控制，首先应搞清楚其 数学模型。
1.PMSG的数学模型
(1)参考方向的规定
采用电动机惯例，向电机看过去，电压与电流符合关联参考方 向；电流的参考方向与由它产生的磁通的参考方向符合右手螺 旋关系；磁通与由它产生的感应电动势符合右手螺旋关系。
通常的做法是使用增量式的光电编码器。
光电编码器与发电机同轴联结，电机转动，光电编码器有脉冲 输出，现在一般输出三路信号，两路正交信号和一路Z信号。 通过这两路正交信号进行正交编码，可以得到4倍频的编码脉冲 和转向信息。 通过对编码脉冲进行计数和处理，可以得到转子的相对位置信 息。或者说是相对于Z信号位置的信息。 如何能让这个信息与转子位置联系起来，成为关键。
四、PWM并网变换器的工作原理
一、概述
1.为什么风力发电系统中需要齿轮箱
风力发电系统中，风力机的额定转速较低，一般为几十 r/min~ 300r/min，而且叶片越长，风力机的额定转速越低。
提示：从最佳叶尖速比的角度考虑。
λopt
=
ωR
v
叶片数相同的风力机，其叶尖速比相近，在相同的风速下， 风轮的半径越大，风力机的转速须越小，才能保证叶尖速比 为最佳叶尖速比。
(2)电压方程
vs
=
Rs is
+
d (Lsis ) dt
+
d dt
(ψ
f
e jθe
)
vs 为发电机的定子端电压矢量 Rs为发电机的定子绕组的电阻 is 为定子电流矢量 Ls 为定子电感
θe 为转子转过的电角度 ψ f为永磁体产生的磁场与定子绕组交链得到的磁链
同步旋转坐标系统下，d轴正方向为转子磁极直轴的正方向，q
4. 直驱式永磁同步风力发电系统的两种典型结构 直驱式永磁同步风力发电系统的一般形 式：
风速时刻变化，风力机的转速必须相应变化，PMSG发电的 频率和电压也随之变化，所以，既不宜将其直接接负载，也 不宜直接接电网。如要接电网，须将这部分变频变压的电能 变换为恒频恒压的电能才可以。先经过AC/DC变换，然后再 经DC/AC变换。目前，差别主要在AC/DC变换上。
把发电机发出的电能，高质量地送到电网上。什么叫高质量？ 就是并网电流的波形正弦，相位与电网电压同相，即功率因数 为1。
（2）简化模型
i
L
v
动态方程式：
ug
v − ug
=
L
di dt
ug 是电网电压的瞬时值，正弦交变
i1
L
v1
v
是变换器的输出电压，是等幅不等宽 的脉冲波形，即PWM波。可以分解
万一有一些设备，在工艺上不允许一台电机先或误动作怎么 办？
由此产生了许多种永磁电机初始位置检测方法（Initial Position Detection）。
对于风力发电机，不存在这样的问题，因为发电机一开始就旋 转。
如何利用这个特点进行初始位置检测？
在发电机空载时，有：
⎧⎪⎨⎪⎩vvdq
=0
= ωeψ
最适合做成较多极对数的发电机是永磁同步发电机，实际上， 电动机也是如此。
采用了多极永磁同步发电机，可以省掉齿轮箱，由风力机直接 驱动发电机，称为直驱。
永磁同步电机，按气隙是否均匀，可以分为表贴式（SPMSM） 和内嵌式（IPMSM）两大类。都可以做成多极电机。
IPMSM
SPMSM
永磁体的磁导率接近于真空的磁导率，所以，表贴式是隐极 的，交直轴电抗相等，内嵌式是凸极的，交直轴电抗不等。
轴的正方向为超前于d轴 90 电角度的方向。dq轴随着转子磁极 的旋转而旋转，则在dq坐标系下，定子电压方程可以表示为
⎧ ⎪⎪vd ⎨ ⎪⎪⎩vq
= =
Rsid Rsiq
+ Ld + Lq
did dt diq dt
+ dψ f
dt
− ωe Lqiq
+ ωe (Ldid +ψ f )
vd、vq 分别永磁同步电机定子端电压 的dq轴分量
§6 直驱式永磁同步风力发电系统
一、概述 1.为什么风力发电系统中需要齿轮箱 2. 齿轮箱带来的问题 3. 如何能够省去齿轮箱 4. 直驱式永磁同步风力发电系统的两种典型结构
二、不控整流+Boost控制的PMSG工作原理 最大功率追踪原理、控制思路、优缺点。
三、PWM变换器控制的PMSG工作原理 1.PMSG的数学模型 2.PMSG的矢量控制与最大功率追踪
v1 < v2 < v3 < v4
ω P = K mech_opt
3 opt wt
v4
Tmech
v1 < v2 < v3 < v4
Topt
=
ω K 2 opt wt
D
v3
v4
C v3
v2 v1
B v2
A v1
O
ωwt
O
ωwt
Pmech _ opt
⎛
= 0.5ρCP π max R2 ⎜⎜⎝
Rωwt λopt
如在装光电编码器的时候将电机打开，使其零起点对准永磁磁 极的几何中心线，则光电编码器转过多少度，永磁磁极就转了 多少度。
理论可行，但实际不可行。即使电机可以打开，光电编码器的 零刻度也无法进行目测对准。
对于电动机，通常使用的方法是，先在定子绕组中通电，建立 一个恒定磁场，转子磁极会旋转到与磁场方向一致的位置上。 这个时候磁极的零点就找到了。
Ld = Lq或者 id = 0
Te
=
3 2
pψ
f
iq
如何能使 Ld = Lq ?
采用隐极电机，即表贴式永磁同步发电机（SPMSG）。
对于凸极电机，即内嵌式永磁同步发电机（IPMSG），只能想 办法使 id = 0 ，如何能做到？
采用电流闭环控制，使其电流指令为零即可。
当然，对于凸极电机，这种控制简单，但不是性能最优的，还 有各种优化控制方法。而对于隐极电机，这就是最优的控制方 法。
SV Sb
PWM Sc
id dq
iα αβ
ia
iq
αβ iβ abc
ib
θe
p N
θ
∫ ωwt
S
有两个关键问题： (1)PI参数如何设计？
⎧⎪⎪vd
=
Ld
did dt
+ Rsid
− ωe Lqiq
⎨ ⎪⎪⎩vq
=
Lq
diq dt
+
Байду номын сангаас
Rsiq
+ ωe (Ldid
+ψ
f
)
(2)转子位置如何获得？
矢量控制最为关键的问题。
iload
uga
L
R iga
ugb
L
R
ugc
L
R
igb
+
− C
Vdc
igc
不同风速下，占空比与系统直流侧功率关系：
改变Boost电路的占空比，可以改变发电机的输出功率。而且 在某一确定风速下，有一个可以输出最大功率的占空比。 风速不变的情况下，占空比与系统输出功率的关系不是简单的 线性关系。
显然，占空比的控制是最大功率追踪的关键，但无法采用以前 的最佳功率曲线法。而应采用寻优的方法。