寫在前面的話

隨著人們對(duì)環(huán)保問題越加關(guān)注，清潔可再生能源的發(fā)展越來越快，其中風(fēng)能作為地球上蘊(yùn)藏量豐富、清潔的可再生能源，因其具有較高的開發(fā)和環(huán)保價(jià)值而受到廣泛關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電由兩部分組成，即風(fēng)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能和機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。前一部分通過風(fēng)力機(jī)完成，將風(fēng)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能;后一部分是將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)化的機(jī)械能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能，由發(fā)電機(jī)完成。不同的風(fēng)速，風(fēng)機(jī)都會(huì)有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速，通過控制發(fā)電機(jī)組在最佳轉(zhuǎn)速下運(yùn)行實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，是風(fēng)機(jī)最大風(fēng)能捕獲研究的關(guān)鍵。本期將利用PTS-5000模塊永磁同步發(fā)電機(jī)型風(fēng)電逆變器通過間接轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，為老師提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)資源參考。實(shí)驗(yàn)?zāi)＝MPEK-520Lab6如圖1所示。

圖一 PEK-190 PEK-520最大風(fēng)能捕獲實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M

PEK-520模組介紹：

PEK-520 為永磁同步發(fā)電機(jī)型風(fēng)電逆變器(Maximum Power Point Tracking ofWTG)，模組實(shí)物照片如圖1所示，主要三部分組成，分別為風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與永磁同步馬達(dá)(含PMSM與PMSG)。該模組實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫槭褂谜咛峁┗贒SP控制的電力變換器學(xué)習(xí)平臺(tái)，即借助PSIM 軟件完成仿真和實(shí)驗(yàn)。第一實(shí)驗(yàn)者可以在PSIM上建立模擬(連續(xù))仿真電路，以學(xué)習(xí)電力變換器的原理、分析和功能設(shè)計(jì);第二將電力變換器的控制轉(zhuǎn)化去數(shù)字(離散)仿真部分，進(jìn)行仿真研學(xué);第三借助DSP芯片內(nèi)部所具有的A/D轉(zhuǎn)化器、數(shù)據(jù)處理和PWM信號(hào)生成功能，再次進(jìn)行數(shù)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(shí)物實(shí)驗(yàn)。這樣設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)方便實(shí)驗(yàn)者能夠快速完成DSP對(duì)變換器主電路的控制。
進(jìn)行實(shí)驗(yàn)除需要PEK-520模組外，仍需配置永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)組、PEK-005A(輔助電源)和 PEK-006 (JTAG 下載器)等，并在PTS-5000的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成，PTS-5000的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

PTS-3000 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖2 PTS-5000 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖

永磁同步發(fā)電機(jī)型風(fēng)電系統(tǒng)原理

遠(yuǎn)程遙控的方式
在永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括風(fēng)力機(jī)、直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)、功率變換器。風(fēng)力機(jī)(風(fēng)機(jī))是捕獲風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要設(shè)備，傳動(dòng)系統(tǒng)將風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)連接起來，永磁同步發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，PMSG風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)實(shí)行電能變換。PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能捕獲控制
1.最大風(fēng)能捕獲控制

功率-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖4。

圖4 風(fēng)電機(jī)組的功率-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

圖中，V，V2，V3均用于表示風(fēng)速，且V>vz>V3,0。用于表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，P用于表示風(fēng)輪的輸出機(jī)械功率;P則用于表示發(fā)電機(jī)的最佳發(fā)電功率，通過連接每條轉(zhuǎn)速-機(jī)械功率曲線最佳風(fēng)輪輸出功率點(diǎn)構(gòu)成最佳發(fā)電功率曲線P(w。t)，通過控制機(jī)組狀態(tài)量使得風(fēng)電機(jī)組按照最佳發(fā)電功率曲線運(yùn)行即為最佳風(fēng)能捕獲。

利用估測(cè)風(fēng)機(jī)輸出功率追蹤MPPT曲線可得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速命令，控制框圖5所示:

圖6 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)控制框圖

2.PMSG數(shù)學(xué)模型

圖7 dq坐標(biāo)系永磁發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為:

發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)模型為:

3.電壓電流雙閉環(huán)控制策略

通過坐標(biāo)變換可知，永磁同步發(fā)電機(jī)dg軸電壓存在耦合項(xiàng)，為了便于實(shí)施控制，需要進(jìn)行電壓的前饋補(bǔ)償，對(duì)旋轉(zhuǎn)后的電壓進(jìn)行前饋解耦補(bǔ)償，補(bǔ)償后得到的控制方式為:

解耦整理得:

利用定子磁鏈方向定向控制，即設(shè)置d軸電流id為0，進(jìn)而結(jié)合輸出功率得到式:

其中，kpd、kid、kpq、kiq分別表示dq軸電流內(nèi)環(huán)比例和積分的增益。

圖8 電流內(nèi)環(huán)d軸控制框圖

圖9 電流內(nèi)環(huán)q軸控制框圖

圖10 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能捕獲控制仿真圖

圖11 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果圖

圖12 風(fēng)機(jī)端功率指令與發(fā)電機(jī)端輸出功率

圖13 A相電流與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

實(shí)驗(yàn)：

當(dāng)模塊在啟動(dòng)前，系統(tǒng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)以防止電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過觀察電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的定子電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速可知，增加了初始位置檢測(cè)與啟動(dòng)后PMSM電機(jī)能夠平滑啟動(dòng)且達(dá)到給定轉(zhuǎn)速2000RPM。根據(jù)顧客的應(yīng)用需要，直流電源的設(shè)計(jì)亦隨時(shí)代演進(jìn)衍生出許多特殊功能，這些功應(yīng)用PTS5000完成最佳風(fēng)能捕獲，其連接線圖如圖14所示。PSW160-7.2設(shè)定電壓為130V，電流3A，將PSW電源開啟后，依序?qū)EK520-1開啟，最后將PEK520-2開啟。能包含:

圖14 實(shí)驗(yàn)接線圖

圖15 不同風(fēng)速下P-N曲線