寫在前面的話

隨著人們對環(huan)保問題(ti)越(yue)加關(guan)(guan)注(zhu)(zhu)，清(qing)潔可(ke)再(zai)生能(neng)(neng)源(yuan)的發(fa)展越(yue)來越(yue)快(kuai)，其(qi)中(zhong)風(feng)(feng)(feng)能(neng)(neng)作為(wei)地球(qiu)上蘊(yun)藏量豐富、清(qing)潔的可(ke)再(zai)生能(neng)(neng)源(yuan)，因其(qi)具有(you)較高的開(kai)發(fa)和環(huan)保價值而受到(dao)廣(guang)泛關(guan)(guan)注(zhu)(zhu)。風(feng)(feng)(feng)力(li)發(fa)電(dian)(dian)由兩部(bu)分(fen)組成，即風(feng)(feng)(feng)能(neng)(neng)轉(zhuan)(zhuan)為(wei)機械(xie)能(neng)(neng)和機械(xie)能(neng)(neng)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)(dian)能(neng)(neng)。前一(yi)(yi)部(bu)分(fen)通過風(feng)(feng)(feng)力(li)機完成，將風(feng)(feng)(feng)能(neng)(neng)轉(zhuan)(zhuan)為(wei)機械(xie)能(neng)(neng);后一(yi)(yi)部(bu)分(fen)是將風(feng)(feng)(feng)力(li)機轉(zhuan)(zhuan)化(hua)的機械(xie)能(neng)(neng)進一(yi)(yi)步轉(zhuan)(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)(dian)能(neng)(neng)，由發(fa)電(dian)(dian)機完成。不同的風(feng)(feng)(feng)速(su)，風(feng)(feng)(feng)機都會有(you)一(yi)(yi)個與之對應的最佳(jia)轉(zhuan)(zhuan)速(su)，通過控制發(fa)電(dian)(dian)機組在最佳(jia)轉(zhuan)(zhuan)速(su)下運行實現(xian)最大功率輸出，是風(feng)(feng)(feng)機最大風(feng)(feng)(feng)能(neng)(neng)捕獲研究(jiu)的關(guan)(guan)鍵。本期將利用PTS-5000模(mo)塊(kuai)永磁同步發(fa)電(dian)(dian)機型風(feng)(feng)(feng)電(dian)(dian)逆變(bian)器通過間接(jie)轉(zhuan)(zhuan)速(su)控制實現(xian)最大風(feng)(feng)(feng)能(neng)(neng)捕獲進行實驗分(fen)析，為(wei)老師提供(gong)相關(guan)(guan)實驗與教學資(zi)源(yuan)參考。實驗模(mo)組PEK-520Lab6如圖1所示。

圖(tu)一(yi) PEK-190 PEK-520最大風能捕(bu)獲實驗模組

PEK-520模組介紹：

PEK-520 為永磁同步發電機型風電逆變器(Maximum Power Point Tracking ofWTG)，模組實物照片如圖1所示，主要三部分組成，分別為風機驅動器模塊，發電機驅動器與永磁同步馬達(含PMSM與PMSG)。該模組實驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學習平臺，即借助PSIM 軟件完成仿真和實驗。第一實驗者可以在PSIM上建立模擬(連續)仿真電路，以學習電力變換器的原理、分析和功能設計;第二將電力變換器的控制轉化去數字(離散)仿真部分，進行仿真研學;第三借助DSP芯片內部所具有的A/D轉化器、數據處理和PWM信號生成功能，再次進行數字(離散)仿真;第四通過PSIM之C代碼生成功能，將控制部分生成C代碼;最后將生成的C代碼下載于PEK-510的DSP之中，以備實物實驗。這樣設計的最大優點方便實驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。
進行實(shi)驗除需(xu)要PEK-520模(mo)組外(wai)，仍需(xu)配(pei)置(zhi)永(yong)磁同(tong)步發電機機組、PEK-005A(輔(fu)助電源)和 PEK-006 (JTAG 下(xia)載器)等，并在PTS-5000的實(shi)驗平臺(tai)上完成，PTS-5000的實(shi)驗平臺(tai)如圖2所示。

PTS-3000 實驗(yan)平臺圖2 PTS-5000 的(de)實驗(yan)平臺圖

永磁同步發電機型風電系統原理

遠程遙控的方式
在(zai)永磁(ci)同(tong)步風力(li)(li)發(fa)電系(xi)(xi)統主要包括(kuo)風力(li)(li)機(ji)、直(zhi)驅永磁(ci)同(tong)步發(fa)電機(ji)、功率變(bian)換器。風力(li)(li)機(ji)(風機(ji))是捕(bu)獲風能并(bing)將(jiang)其(qi)轉化(hua)為機(ji)械(xie)能的重要設(she)備，傳動(dong)系(xi)(xi)統將(jiang)風輪(lun)與發(fa)電機(ji)連接(jie)起來，永磁(ci)同(tong)步發(fa)電機(ji)將(jiang)風輪(lun)吸收(shou)的機(ji)械(xie)能轉為電能，PMSG風力(li)(li)發(fa)電控制系(xi)(xi)統實行電能變(bian)換。PMSG風力(li)(li)發(fa)電系(xi)(xi)統如圖3所示。

圖3 PMSG風力發電系統

永磁同步風力發電機最大風能捕獲控制
1.最大風能捕獲控制

功率-轉速(su)關系(xi)曲線如圖4。

圖(tu)4 風(feng)電機組的功率(lv)-轉速(su)關(guan)系曲線

圖中，V，V2，V3均用于表示風速，且V>vz>V3,0。用于表示發電機轉速，P用于表示風輪的輸出機械功率;P則用于表示發電機的最佳發電功率，通過連接每條轉速-機械功率曲線最佳風輪輸出功率點構成最佳發電功率曲線P(w。t)，通過控制機組狀態量使得風電機組按照最佳發電功率曲線運行即為最佳風能捕獲。

利用估測風(feng)(feng)機(ji)輸(shu)出(chu)功率追蹤MPPT曲(qu)線可得風(feng)(feng)機(ji)轉速命令，控制框圖5所示:

圖6 發電(dian)機系統控制框圖

2.PMSG數學模型

圖(tu)7 dq坐(zuo)標系(xi)永(yong)磁發(fa)電機的電磁轉矩方程為:

發(fa)電機傳動系(xi)統模型(xing)為(wei):

3.電壓電流雙閉環控制策略

通過坐標變換可知(zhi)，永磁同步發電(dian)機dg軸電(dian)壓存在耦合項，為(wei)了便(bian)于實(shi)施控制，需要進行(xing)電(dian)壓的(de)前饋補償(chang)，對(dui)旋轉后的(de)電(dian)壓進行(xing)前饋解(jie)耦補償(chang)，補償(chang)后得到的(de)控制方式為(wei):

解耦整(zheng)理得:

利用定子磁鏈方向定向控制，即(ji)設(she)置d軸電(dian)流id為0，進而結合輸出功率得到(dao)式:

其中，kpd、kid、kpq、kiq分(fen)別表示dq軸電流內環比例和積分(fen)的增益。

圖(tu)8 電(dian)流(liu)內環d軸控制框圖(tu)

圖(tu)9 電流內環q軸控(kong)制框圖(tu)

圖10 永磁(ci)同步(bu)風力發電(dian)機最大風能(neng)捕獲(huo)控制仿真(zhen)圖

圖11 實驗仿(fang)真(zhen)結果圖

 圖(tu)12 風機端(duan)功(gong)率指令(ling)與發電機端(duan)輸出功(gong)率

圖13 A相電流與(yu)風(feng)機(ji)轉(zhuan)速

實驗：

當模塊(kuai)在啟動(dong)前，系統(tong)進(jin)行(xing)了轉(zhuan)(zhuan)子初始(shi)位(wei)置檢測以(yi)防止(zhi)電(dian)機(ji)反轉(zhuan)(zhuan)。通過(guo)觀察電(dian)機(ji)驅動(dong)器的定(ding)(ding)子電(dian)流(liu)和(he)電(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)速可知，增加了初始(shi)位(wei)置檢測與啟動(dong)后PMSM電(dian)機(ji)能(neng)夠平滑(hua)啟動(dong)且達(da)到(dao)給(gei)定(ding)(ding)轉(zhuan)(zhuan)速2000RPM。根據顧(gu)客的應用(yong)需要，直流(liu)電(dian)源(yuan)的設計亦(yi)隨時代演進(jin)衍生出許多特殊功(gong)能(neng)，這些(xie)功(gong)應用(yong)PTS5000完(wan)成(cheng)最(zui)佳風能(neng)捕獲，其連接(jie)線圖如圖14所(suo)示(shi)。PSW160-7.2設定(ding)(ding)電(dian)壓(ya)為130V，電(dian)流(liu)3A，將(jiang)PSW電(dian)源(yuan)開(kai)啟后，依序將(jiang)PEK520-1開(kai)啟，最(zui)后將(jiang)PEK520-2開(kai)啟。能(neng)包含:

圖(tu)14 實驗接線圖(tu)

圖15 不同風(feng)速(su)下(xia)P-N曲線