直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制策略探究

苏小溪

苏小溪

(华润电力投资有限公司深圳分公司广东深圳518001)

摘要:在直驱式永磁同步风力发电系统运行的过程中，对其最大功率进行追踪控制是掌握其实时状态的重要工作。本文将对直驱式永磁同步风力发电系统最大功率进行分析，并探讨其追踪控制的策略。

关键词:直驱式永磁同步风力发电最大功率追踪

一、最大功率的追踪原理

（一）风力机的输出特性

风力机叶片的半径用r表示，ρ则代表着空气的密度，v是实际测得的风速。则能用以下的函数关系来表示风力机轴上的机械功率输出：

式（4）中风力机输出的机械功率与转速之间的关系称为最佳功率曲线，而在式（5）中机械转矩与转速呈现出的函数变化关系则是最佳转矩曲线。在风速保持不变的情况下风力机保持最大功率的稳定运行，叶尖线边缘瞬时速度将能与风速保持式（3）的函数关系，也就是说此时的风力机叶尖速比处于最佳，而最佳功率曲线和最佳转矩曲线分别在此时满足式（4）和式（5）。

在风力机运行时风速不稳定的状况下，风力机所提供的机械功率输出、机械转矩和最佳功率、最佳转矩曲线可以用图2来表示

（二）最大功率追踪原理及具体实现方案

在图2（b）所表示的函数中，通过人为的办法对发电机的运行状态进行调节，使转矩和转速在一定条件下跟式（5）中的函数关系保持一致，系统将能在风力机转矩特性与发电机机械特性的交点处达到平衡。图2（b）中的A、B、C、D四个点分别代表不同风速下风力机的最大输出功率，而风力机在这时的叶尖速比处于最佳，并且这四个平衡点处于稳定状态，满足以下公式：

对功率进行控制。由于实际操作不能准确地测定发电机能从轴上得到多少能量，所以一般会以并网条件下的有功功率作为这个值，并通过控制有功功率来完成对发电机的功率控制。而在发电机工作的过程中，会因为自身克服阻力而产生能量的损耗，而这些损耗很难计算却又不能忽略不计，所以实际测定会出现较大偏差。

对转矩进行控制。在实际的操作中，不论是对功率进行控制还是对转速进行控制，都要通过改变转矩来完成。所以控制转矩的方法是最大功率追踪的最佳方法。以最佳转矩减和空载转矩之间的差作为电磁转矩，用以下公式进行表达：

其中空载转矩是指在电机工作过程中各种损耗之和。对转矩进行控制是实现发电机功率追踪的最佳办法，而在永磁同步发电机中，对电磁转矩的有效控制则需要采用矢量控制的方式来完成。

三、最大功率的追踪控制

（一）最大功率的追踪

对于永磁同步发电机而言，进行最大功率追踪控制实际上就是对发电机电磁转矩进行控制。而根据实际研究的结果可以知道，对电磁转矩的控制实际上就是要控制发电机的转矩分量。

电磁转矩指令源于式（7），在获得系统转速的第一时间完成对最佳转矩的计算，然后减去发电机在运行过程中由于各种原因而损失点的功率，此时的电磁转矩指令将是最适合的。在发电机正常运行的状态下不让电流通过定子d轴，就能发现电磁转矩与q轴电流之间保持的是正比例函数关系。对两轴的电流进行闭环控制时，则能完成对最大功率的追踪。而在这一过程中，由于控制器的设计已经达到成熟阶段，所以转子位置角的检测是关键环节。（二）转子位置的检测

在实际操作中，一般采用增量式光电编码器对转子位置角进行测量，由于发电机中的极对数有很多，所以会提高光电编码器的分辨率，从而减小控制的误差。根据增量式光电编码器的工作原理，实际的操作存在一定的技术限制，不能让转子磁极与编码器的起始点的刻度线对准，所以需要对转子磁极的初始位置进行测定。通过转子初始位置和发电机运行一段时间后的转子位置与编码器零刻度之间的角度，可以确定转子位置交，从而完成对最大功率的追踪。

三、网测变换器的控制

发电机的网测变换器对发电机捕捉风能的过程进行控制，然后将风能输送到直流母线上，使直流母线电压出现波动。同时，网测变化器还能通过对母线电压的控制将电能输送到电网中，并调节功率直到功率满足电网的需求。从某种或意义上讲，网测变换器的运行能力影响着电网电能的质量，对风力发电的整体性能有着重要影响，所以发电过程中需要对其进行必要的控制。

四、总结

在直驱式永磁同步风力发电系统运行的过程中，对系统的最大功率进行追踪控制影响着整个发电系统的运行质量，所以要通过有效的方式完成最大功率的准确测定并对其进行有效地控制，以保证风能发电的质量。

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,2009,27:106-111.