馬強(qiáng)

摘要：日前，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的永磁發(fā)電機(jī)形式較多，多數(shù)系統(tǒng)以外轉(zhuǎn)子鏡像磁通和內(nèi)轉(zhuǎn)子鏡像磁通為主，未來(lái)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)會(huì)更加豐富，制造工藝逐步趨向模塊化，控制技術(shù)也更加智能化，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的大型化和規(guī)模北，以解決"能源緊缺"的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：永磁;風(fēng)力發(fā)電;功率

前言

風(fēng)力發(fā)電是我國(guó)近幾年重點(diǎn)研究的"課題"。風(fēng)力發(fā)電在實(shí)踐中休現(xiàn)出了以下2個(gè)方面的特征：（1）風(fēng)力發(fā)電要求風(fēng)能密度較高，要使風(fēng)力發(fā)電獲得大功率風(fēng)能，必須要有大直徑的風(fēng)力機(jī)，因此，一般兆瓦級(jí)的風(fēng)力機(jī)，槳葉長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)十米到百余米，但是直接影響了風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速;（2）風(fēng)能的不穩(wěn)定性和多變性較強(qiáng)，而發(fā)電則對(duì)電壓和頻率的穩(wěn)定性要求較高，所以，需要應(yīng)用變速恒頻控制技術(shù)。在輸出功率不變的基礎(chǔ)上，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的體積呈反比，為了減少成本，需要減小電機(jī)的休積，對(duì)此，業(yè)界通用的技術(shù)為多級(jí)增速技術(shù)，該技術(shù)雖然降低了發(fā)電成本，但是增加了電機(jī)維護(hù)工作量，針對(duì)該矛盾，需要應(yīng)用永破發(fā)電機(jī)優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

1不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特征

1.1高速雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

雙饋電機(jī)定子繞組的電壓會(huì)受到電網(wǎng)運(yùn)作頻率的影響，所以，雙饋電機(jī)定子繞組的運(yùn)行范圍受到了一定的限制，確定電網(wǎng)運(yùn)作頻率后，可以確定雙饋電機(jī)定子繞組的極數(shù)。例如，某高速雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1750r/min（額定轉(zhuǎn)速），運(yùn)行速度約150r/m肌需要采用四極電機(jī)，若電網(wǎng)的頻率為50Hz，那么電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，同時(shí)，考慮高速雙憤感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組變流器功率特征，在電網(wǎng)運(yùn)作頻率為50Hz的情況下，永磁電中幾所需的功率反而高于高速雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)。同時(shí)，因?yàn)轭~定轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，在運(yùn)作過(guò)程中，雙饋發(fā)電機(jī)的電流頻率相對(duì)較高，變流器供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波會(huì)增加電機(jī)在運(yùn)作過(guò)程中的損耗，所以，應(yīng)用高速雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)時(shí)，還應(yīng)考慮、轉(zhuǎn)子的散熱問(wèn)題。

1.2高速永磁發(fā)電機(jī)

根據(jù)日前的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，若用永磁發(fā)電機(jī)替代傳統(tǒng)的雙饋感應(yīng)電機(jī)，則無(wú)需風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電刷和電環(huán)裝置，這就在一定程度上減少了電機(jī)中鐵、銅的泊在，提高了電機(jī)運(yùn)作的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)，提高了電機(jī)的運(yùn)作效率。ABB公司的1.5MW高速永磁發(fā)電機(jī)和傳統(tǒng)的雙饋感應(yīng)電機(jī)相比，電機(jī)尺寸可縮小13%-20%。因?yàn)椴捎萌β首兞髌?，發(fā)電機(jī)的輸出電壓工作模式發(fā)生了一定的變化，因此，功率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)]有直接關(guān)系，提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定性。若該系統(tǒng)采用永磁發(fā)電機(jī)，那么極數(shù)的選攆就不局限于4極，而是可根據(jù)實(shí)際情況選用4極、6極、8極，極數(shù)越多，發(fā)電機(jī)的尺寸越小，所使用的材料也越少。

1.3中速半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)

中速半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用是一種相對(duì)折中的方案，相對(duì)來(lái)說(shuō)，中速半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)可有效提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的靈活性，變速箱的運(yùn)作可靠性、發(fā)電機(jī)的性價(jià)比等因素得到了協(xié)調(diào)，技術(shù)人員能夠在確定增速箱傳統(tǒng)比的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的調(diào)整。相對(duì)困難的是，電機(jī)運(yùn)作速度、額定轉(zhuǎn)速、速比和增速機(jī)構(gòu)的選操比較困難，中速半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)多采用兩級(jí)增速結(jié)構(gòu)或者一級(jí)增速結(jié)構(gòu)，和芬蘭公司開(kāi)發(fā)的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速相比，中速半直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的使用更加靈活。

1.4低速直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)

（1）電機(jī)結(jié)構(gòu)的選取。永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)豐富，磁通選抨為橫向、軸向、徑向，不同的結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)的制造成本、性能有直接的影響。（2）電機(jī)槽數(shù)的選擇以及電機(jī)極數(shù)的選擇。因低速直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的體積大，所以，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的輸出電壓沒(méi)有直接關(guān)系。（3）電磁負(fù)荷的選擇。低速直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)的磁通變化相對(duì)較小，而定子繞組的臣數(shù)卻相對(duì)較多，定子繞組的消耗較大，需要合理調(diào)整定子繞組。（4）冷卻方式的選擇。低速直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)休積大決定了其熱量大，需要采取強(qiáng)制風(fēng)冷才能夠保證電捫運(yùn)作可靠性。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和建模

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文使用的D-PMSG的結(jié)構(gòu)，風(fēng)力機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)子直接耦合，機(jī)側(cè)采用三相不可控二極管整流橋式電路加上BOOST升壓電路，網(wǎng)側(cè)采用了PWM逆變電路。首先三相不可控二極管整流橋?qū)l(fā)電機(jī)定子的輸出電流進(jìn)行整流，然后利用DC/AC將電壓穩(wěn)定控制，最后利用網(wǎng)側(cè)的逆變器逆變后饋入電網(wǎng)。

2.2風(fēng)力機(jī)特性

風(fēng)力機(jī)是D-PMSG中不可或缺的裝置，其基本的工作原理是：利用風(fēng)輪葉片將風(fēng)能捕獲，并隨即將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后以轉(zhuǎn)矩的形式輸入到發(fā)電機(jī)中。

3模糊控制器的設(shè)計(jì)

3.1輸入輸出量的模糊集合及論域

基于前面的分析可知，通過(guò)改變BOOST升壓電路的占空比D的值可以控制風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率，因此可以選擇BOOST電路的本周期和上個(gè)周期占空比的差值、本周期輸出功率的差值作為模糊控制的輸入信號(hào)量，并將其模糊化處理，然后經(jīng)過(guò)模糊規(guī)則庫(kù)進(jìn)行邏輯推理后可以得出下個(gè)周期的所需改變占空比的大小和方向。

3.2模糊規(guī)則

根據(jù)本文中對(duì)D-PMSG的MPPT控制效果要求，當(dāng)系統(tǒng)輸出功率減小了，則應(yīng)該調(diào)整原來(lái)的擾動(dòng)方向，如果系統(tǒng)輸出功率增加了，則應(yīng)該按照原來(lái)的步長(zhǎng)來(lái)稍許繼續(xù)增加。當(dāng)距離系統(tǒng)MPP較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)該使用較大的步長(zhǎng)進(jìn)行跟蹤，當(dāng)距離MPP較近時(shí)，則應(yīng)該使用較小的步長(zhǎng)進(jìn)行跟蹤。

4仿真結(jié)果及分析驗(yàn)證

本文的仿真參數(shù)如下：空氣密度ρ=1.225kg/m3，風(fēng)輪半徑R=4m，風(fēng)電機(jī)的槳距角β=0o，PMSG參數(shù)為：定子相電阻Rs=0.05Ω，定子繞組電感L=3.95×10-4H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.192kg·m2，極對(duì)數(shù)36，本文中風(fēng)電機(jī)組不計(jì)摩擦系數(shù)，輸入的階躍風(fēng)速為12m/s～15m/s，BOOST電路負(fù)載R=15Ω，設(shè)定仿真時(shí)間為2s。利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建D-PMSG系統(tǒng)MPPT的整體模型。通過(guò)上述仿真分析可以明顯看出，這三種方法都可以實(shí)現(xiàn)PMSG風(fēng)電系統(tǒng)的MPPT，但是固定步長(zhǎng)算法由于步長(zhǎng)的一成不變，所以在整個(gè)2s內(nèi)的追蹤過(guò)程和在1s時(shí)風(fēng)速由12m/s突變成15m/s時(shí)波動(dòng)都非常明顯。變步長(zhǎng)爬山算法因?yàn)闀?huì)根據(jù)追蹤的情況來(lái)改變步長(zhǎng)，所以在0.4s、1.4s和1s風(fēng)速變化時(shí)都一定程度上減小了波動(dòng)，但是在追蹤到MPP之前負(fù)載端電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速還是存在波動(dòng)?；谀：刂频腗PPT因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用模糊推理得到的自適應(yīng)步長(zhǎng)，與設(shè)定的變化步長(zhǎng)相比，很明顯自適應(yīng)步長(zhǎng)更具有優(yōu)勢(shì)，所以不但能和爬山法幾乎同時(shí)追蹤到MPP，且其電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載端電壓的波動(dòng)在0.4s、1s、1.4s相比于變步長(zhǎng)爬山法都明顯變小。綜上所述，所得仿真結(jié)果證明了本文提出的基于模糊控制的MPPT的有效性，且相較于固定步長(zhǎng)和變步長(zhǎng)算法更有優(yōu)越性。

結(jié)束語(yǔ)

本文經(jīng)過(guò)對(duì)D-PMSG的原理和結(jié)構(gòu)的分析，闡述了基于BOOST電路達(dá)到MPPT的原理，提出了一種基于模糊控制的D-PMSG的MPPT控制策略，結(jié)合MPPT與模糊控制原理設(shè)計(jì)了D-PMSG的MPPT模糊控制器。搭建了Matlab/Simulink仿真模型，對(duì)比分析仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的有效性和優(yōu)越性。

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（作者單位：中廣核新能源投資（深圳）有限公司新疆分公司）