永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術綜述

李 勝，張?zhí)m紅，單 毅

(1 江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2.鹽城工學院 電氣工程學院，江蘇 鹽城 224051；3.江蘇金風科技有限公司，江蘇 鹽城 224199)

0 引 言

風能因其分布廣泛、綠色清潔、蘊量巨大等優(yōu)點已成為新能源發(fā)電的最佳選擇之一[1-4]。據(jù)相關研究表明，至2030年我國累計風電裝機可以達到1.8×108kW左右，屆時風電在全國電力容量中的比重將超過11%，可以滿足全國5.7%的電力需求[5]。

變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)因其開關損耗小、功率因素可調(diào)、變槳距調(diào)節(jié)簡單等優(yōu)點受到越來越多的關注[6-8]。目前，這種風力發(fā)電系統(tǒng)主要分為永磁同步發(fā)電系統(tǒng)和雙饋感應發(fā)電系統(tǒng)[6-7]，其中永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)省去了易發(fā)生故障的齒輪箱，降低了維護成本和運行的危險性[7-8]，故而成為了風力發(fā)電市場的主流選擇。

永磁同步風力發(fā)電機作為永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其高效率的控制策略得到了越來越多的關注和研究。目前，永磁同步風力發(fā)電機的控制技術主要有矢量控制技術和直接轉矩控制技術[9-11]。本文對這兩種控制技術進行了詳細的分析和比較。

1 永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)變流拓撲

永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)整體拓撲結構如圖1所示：

圖1 永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)整體變流拓撲

目前，針對永磁同步風力發(fā)電機的三相電壓型風力發(fā)電變流拓撲主要有以下五類[12-22]：

(1)機側不可控整流，網(wǎng)側PWM逆變

如圖2所示，該功率變換拓撲由風機、永磁同步發(fā)電機、三相不可控整流器、三相六開關PWM逆變器和濾波電感組成。這種拓撲可以提高開關頻率，能實現(xiàn)輸出到電網(wǎng)有功功率和無功功率的控制，進而可以調(diào)節(jié)PMSG的轉速。但是，由于這種拓撲采用的是不控整流，對導致電機定子電流低次諧波所占比重增大，無法進行升壓，因此對PMSG的繞組和開關器件的絕緣水平提出了更高的要求，導致成本大大增加。此外，由于不能直接調(diào)節(jié)PMSG電磁轉矩，所以其動態(tài)響應慢，導致了風能的浪費和發(fā)電機效率的降低。

圖2 不可控整流+PWM逆變的功率變換拓撲

(2)機側不可控整流+Boost升壓，網(wǎng)側PWM逆變

如圖3所示，該功率變換拓撲由風機、永磁同步發(fā)電機、三相不可控整流器、Boost升壓裝置、PWM逆變器和濾波電感組成。這種拓撲結構可以通過Boost升壓對直流母線電壓進行穩(wěn)定控制，解決了第一種拓撲結構在低轉速時直流電壓較低的缺點，可以對PMSG的轉速進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)的最大風能跟蹤控制，且成本較低。然而，對于大功率風力發(fā)電系統(tǒng)Boost升壓電路設計困難，兩級控制使系統(tǒng)控制復雜度較高，故而限制了它的推廣。

圖3 不可控整流+Boost升壓+PWM逆變的功率變換拓撲

(3)機側相控整流，網(wǎng)側PWM逆變

如圖4所示，該功率變換拓撲由風機、永磁同步發(fā)電機、三相半控整流器、PWM逆變器和濾波電感組成。該拓撲是將第一種拓撲中的機側二極管用晶閘管代替，這是由于晶閘管耐壓特性較好，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，雖然通過控制觸發(fā)角可以實現(xiàn)對晶閘管導通時間的控制，在一定程度上抑制了PMSG的定子電流諧波，但是機側低次諧波較大的缺點依然沒有改善。

圖4 相控整流+PWM逆變的功率變換拓撲

(4)機側不可控整流，網(wǎng)側阻抗源逆變

如圖5所示，該功率變換拓撲由風機、永磁同步發(fā)電機、三相不可控整流器、三相阻抗源逆變器和濾波電感組成，其中三相阻抗源逆變器包括阻抗源網(wǎng)絡電路和PWM逆變橋。與第二種拓撲結構相比，這種拓撲結構屬于單級控制，降低了控制的復雜性，而且能夠實現(xiàn)對電機轉速的控制，從而達到最大風能捕獲的目標。但是，由于增加了阻抗源網(wǎng)絡網(wǎng)絡環(huán)節(jié)，導致直流母線電壓控制難度大大上升，故而不適用于直流母線電壓較大的場所，所以這種拓撲結構多用于中小型功率的永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)。

圖5 不可控整流+阻抗源逆變的功率變換拓撲

(5)機側PWM整流，網(wǎng)側PWM逆變

如圖6所示，該功率變換拓撲由風機、永磁同步發(fā)電機、PWM整流器、PWM逆變器和濾波電感組成。這種雙PWM控制的功率變流器具有四象限運行能力，機側變流器具有最大風能捕獲功能；網(wǎng)側變流器能夠對母線電壓進行直接控制，還可實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。此外，機側變流器能實現(xiàn)對系統(tǒng)功率因素的控制，降低功率損耗，同機側不控整流相比，能夠在很大程度上減少定子電流諧波所占的比重。這也是目前受到關注度最高的一種拓撲結構，本文正是在這種結構的基礎之上對永磁同步風力發(fā)電機控制技術進行討論。

圖6 PWM整流+PWM逆變的功率變換拓撲

此外，除了以上五種常規(guī)的功率變換拓撲結構外，還有一些應用于特殊場合的拓撲結構。比如專門應用于大型風力發(fā)電系統(tǒng)的大功率變流器拓撲結構，這種拓撲結構機側采用十二個二極管組合、網(wǎng)側采用十二個全控型器件組合，可以提高系統(tǒng)承受功率能力[23]。但是當器件串聯(lián)排布時會導致每個功率器件電壓分布不均勻，器件并聯(lián)排布時會導致功率器件電流分布不均勻，所以其使用場合受到了很大的限制。

2 控制策略綜述

2.1 永磁同步風力發(fā)電機的矢量控制

傳統(tǒng)的矢量控制有四種，分別為

(1)零d軸電流控制；

(2)力矩電流比最大控制；

(3)功率因數(shù)等于1控制；

(4)恒磁鏈控制。

文獻[12]對這四種控制策略用于永磁同步風力發(fā)電機進行了比較分析。其中，零d軸電流控制因電磁轉矩和電流關系簡單、不存在去磁風險、算法易于實現(xiàn)等優(yōu)點成為矢量控制用于永磁同步風力發(fā)電發(fā)電機控制策略的主流選擇。

(1)零d軸電流控制

文獻[24]和文獻[25]將id=0控制技術應用于永磁同步風力發(fā)電機。當采取id=0控制策略時，電磁轉矩和交軸電流成線性關系，不存在直軸電流，所以沒有直軸電樞反應，不存在去磁現(xiàn)象。從電機端口看，此時電機相當于一臺直流電機。其控制框圖如圖7所示。

圖7 永磁同步風力發(fā)電機id=0控制策略框圖

(2)無傳感器矢量控制

為了解決由于使用傳感器所帶來的系統(tǒng)可靠性降低等問題，不少學者提出了永磁同步風力發(fā)電機無傳感器控制技術。文獻[19]提出了一種在無位置傳感器的情況下，將矢量控制用于永磁同步風力發(fā)電機的控制方法。采用簡化卡爾曼濾波器進行電機轉子位置和轉速估計，系統(tǒng)結構如圖8所示。該系統(tǒng)選取轉子位置和轉速作為狀態(tài)變量，兩相定子電流作為輸入，建立了基于簡化卡爾曼濾波器的永磁同步發(fā)電機狀態(tài)估計離散模型，實現(xiàn)了無位置傳感器矢量控制。雖然這種方法在無位置傳感器的前提下實現(xiàn)了永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制，但是運算量很大，且參數(shù)調(diào)試復雜。文獻[25]提出的結構與文獻[19]所提出結構的不同之處在于在卡爾曼濾波器的基礎上增加了鎖相環(huán)功能來對永磁同步發(fā)電機的速度和位置信息進行精準估計。文獻[26]在永磁同步風力發(fā)電機無位置傳感器矢量控制的基礎上增加了滑模觀測器，該方法使狀態(tài)運動點在相平面上進行微小變動，最終到達靜態(tài)穩(wěn)定點，當發(fā)電機參數(shù)變化時，它具有良好的適應性能，可以在很大程度上提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，但是算法較復雜。文獻[27]也提出了一種無位置傳感器矢量控制方法，與文獻[19]所提出結構的不同之處在于，文獻[27]所設計的系統(tǒng)主要針對大功率直驅風力發(fā)電系統(tǒng)中的雙三相永磁同步風力發(fā)電機，并且利用模型參考自適應系統(tǒng)估計發(fā)電機轉速，分析發(fā)電機參數(shù)變化對速度估計的影響。該方法穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能均較好，但卻對發(fā)電機定子電阻和電感非常敏感。

圖8 永磁同步風力發(fā)電機無位置傳感器矢量控制框圖

文獻[28]提出了一種針對無速度傳感器的永磁同步風力發(fā)電機矢量控制技術，系統(tǒng)結構如圖9所示。該方法通過鎖相環(huán)鎖相定子電壓，利用定子電壓和模型參考自適應相結合的方法，實現(xiàn)矢量控制坐標系的準確定向。該算法工程實現(xiàn)較簡單、系統(tǒng)魯棒性強，但是在發(fā)電機轉速變換較大時系統(tǒng)動態(tài)響應慢。

圖9 永磁同步風力發(fā)電機無速度傳感器矢量控制框圖

文獻[29]在文獻[28]的基礎上進行了改進，該策略在發(fā)電機起動速度和轉變速度之間采用最大轉矩電流比控制方式；在轉變速度與最大速度間采用弱磁控制方式，所改進的結構加快了系統(tǒng)在發(fā)電機轉速變化較大時的動態(tài)響應，適用于要求發(fā)電機速度變化較頻繁的場所。文獻[30]將文獻[27]的自適應觀測器和文獻[29]的滑?？刂破鹘Y合起來，提出一種基于滑模自適應控制算法的最大功率跟蹤策略，可以實現(xiàn)轉子的角位置和對轉速與系統(tǒng)負載的準確估算。文獻[31]對文獻[29]所提出的結構作了進一步改善，設計了一種不需要微分估計器及額外濾波裝置的新型滑?？刂破?，解決了滑?？刂圃谔岣呋Ｃ嫠俣葧r會有較大抖振的問題，且保持了終端滑模的有限時間收斂和強魯棒性的優(yōu)點，不足之處在于對轉子位置的估計精度略有偏差。

(3)自抗擾控制

為了解決風力發(fā)電系統(tǒng)非線性、不確定性、強干擾的問題，文獻[16]提出了一種以實現(xiàn)最大功率跟蹤控制為目標，實時跟蹤電機轉速的基于最佳葉尖速比的自抗擾控制(ADRC)策略，系統(tǒng)結構如圖10所示。該方法不依賴系統(tǒng)數(shù)學模型，將永磁同步風力發(fā)電機存在的所有干擾看作系統(tǒng)總干擾，利用擴張狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)的總干擾進行估計，然后通過反饋控制器進行干擾補償。文獻[32]在文獻[16]的基礎上進行了進一步討論，將ADRC和PI相結合，不足之處在于這種控制技術還未對系統(tǒng)進行無傳感器方面的研究。

圖10 永磁同步風力發(fā)電機自抗擾控制技術系統(tǒng)框圖

2.2 永磁同步風力發(fā)電機的直接轉矩控制

直接轉矩控制技術直接以轉矩為被控制量，給定了定子磁鏈幅值，通過調(diào)節(jié)空間電壓矢量來直接改變定子磁鏈和轉子磁鏈之間的夾角，進而直接控制轉矩[33]。

(1)給定電壓矢量直接轉矩控制

文獻[34-36]將直接轉矩控制應用于永磁同步風力發(fā)電機，系統(tǒng)結構如圖11所示。通過最大功率跟蹤控制得到所需風速，進而得到轉矩的估計量；再通過給定定子磁鏈幅值，轉矩和磁鏈雙滯環(huán)比較器的輸出結果在給定的電壓矢量選擇表中選擇合適的信號輸送至機側變流器，實現(xiàn)對轉矩的直接轉矩控制。文獻[36]針對系統(tǒng)運行過程中參數(shù)變化的問題設計了基于擴展卡爾曼濾波器的定子磁鏈觀測器，使得系統(tǒng)具備更好的抗干擾能力和魯棒性。為了解決定子電阻在實際運行時不斷變化的問題，文獻[37]提出一種新型定子磁鏈觀測器，該觀測器借助有效磁鏈概念計算出轉子磁極位置角觀測值，基于此將定子磁鏈電壓模型和電流模型聯(lián)系起來，無需轉子速度信息，但沒有考慮轉矩環(huán)節(jié)的影響，依舊依賴于轉矩滯環(huán)比較器。文獻[38]也提出了一種永磁同步風力發(fā)電機直接轉矩控制策略，不同的是它增加了速度觀測器來對風能進行捕獲，雖然能有效克服系統(tǒng)參數(shù)變化和風速波動不確定性的影響，但是卻增加了系統(tǒng)控制難度。文獻[39]在文獻[37]的基礎上利用自適應低通濾波器來估計定子磁鏈，解決了直流電壓漂移和需要初始定子磁通值等問題。

圖11 永磁同步風力發(fā)電機直接轉矩控制框圖

(2)空間矢量脈寬調(diào)制直接轉矩控制

文獻[40]將空間矢量脈沖寬度調(diào)制(SVM)與DTC相結合應用于永磁同步風力發(fā)電機，系統(tǒng)結構如圖12所示。這種控制方法采用SVPWM技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)空間電壓矢量，摒棄了滯環(huán)比較器的使用，解決了傳統(tǒng)直接轉矩控制系統(tǒng)中開關頻率變化引起的開關管損壞等缺點，但是SVM技術的引入使系統(tǒng)的計算量大大增加。文獻[14]在文獻[40]的基礎上設計了一種基于卡爾曼濾波器的定子磁鏈和電磁轉矩觀測器，提高了定子磁鏈和電磁轉矩的測量精度。

圖12 永磁同步風力發(fā)電機SVM-DTC控制框圖

(3)無傳感器直接轉矩控制

同樣地，為了減少傳感器的使用，提高風力發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，不少學者對永磁同步風力發(fā)電機直接轉矩控制無傳感器控制技術做了許多研究。文獻[40]提出了無位置傳感器情況下兩種轉子檢測的方法，但是并未將其應用至實踐中。文獻[10] 提出了一種永磁直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)的無風速傳感器直接轉矩控制策略，直接控制電機的轉矩和定子磁鏈來實現(xiàn)永磁同步發(fā)電機的最優(yōu)控制，不需要轉速外環(huán)，避免了風速的測量和風速測量不準確等問題，但是對發(fā)電機轉速的測量精度提出了更高的要求。文獻[21]在文獻[40]的基礎上將SVM和無位置傳感器技術相結合用于直接轉矩控制系統(tǒng)。文獻[41]提出一種利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡進行風速估計并考慮損耗轉矩的最大風能跟蹤控制策略。

(4)預測直接轉矩控制

文獻[42]針對直接轉矩控制數(shù)字控制系統(tǒng)采樣與控制時延所造成的電機轉矩與磁鏈紋波增大的問題提出了一種應用于永磁同步發(fā)電機的預測直接轉矩控制策略，圖13為預測時序分析圖。這種控制方法主要是通過對轉矩和磁鏈的跨時段預測，來解決時間延遲對系統(tǒng)控制造成的問題。不但減少了轉矩波動，而且具有優(yōu)良的動態(tài)性能，系統(tǒng)結構如圖14所示。

圖13 永磁同步風力發(fā)電機預測DTC時序分析圖

圖14 永磁同步風力發(fā)電機預測DTC控制框圖

文獻[43]通過在一個采樣周期內(nèi)執(zhí)行三次切換來控制定子磁鏈和電磁轉矩，這種策略使永磁同步風力發(fā)電機可在低采樣頻率下得到更好的控制。文獻[44]提出了一種改進的永磁同步發(fā)電機模型預測直接轉矩控制方法，系統(tǒng)結構如圖15所示。該方法通過觀測定子電流和等效反電動勢在靜止坐標系下實現(xiàn)定子磁鏈和轉矩預測，而傳統(tǒng)的預測控制算法主要是在旋轉坐標系下實現(xiàn)預測控制，從而避免了坐標變換運算，提高了系統(tǒng)的可靠性。文獻[45]在文獻[42]的基礎上考慮了發(fā)電機的損耗，系統(tǒng)結構如圖16所示。在傳統(tǒng)模型預測直接轉矩控制的基礎上定義了定子有功電流預測值，從而求取發(fā)電機電磁轉矩預測值，并通過求取系統(tǒng)最小損耗工作點得到定子有功電流設定值，結合最佳特性曲線得到發(fā)電機電磁轉矩設定值，在提高動態(tài)響應速度的同時提高了系統(tǒng)運行效率。

圖15 永磁同步風力發(fā)電機改進預測DTC控制框圖

圖16 效率優(yōu)化永磁同步風力發(fā)電機預測DTC控制框圖

3 結 語

在永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術中，矢量控制通過將發(fā)電機直軸電流設定為零，對其電磁轉矩和磁鏈進行控制，但坐標變換引起計算復雜，對數(shù)字信號處理能力要求較高；直接轉矩控制技術直接以轉矩為被控制量，給定定子磁鏈幅值，通過調(diào)節(jié)空間電壓矢量來直接改變定子磁鏈和轉子磁鏈之間的夾角，進而直接控制轉矩，但是要重視電機參數(shù)對算法的影響。

根據(jù)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的發(fā)展歷程，該研究方向可能具有以下的發(fā)展趨勢：一是研究可靠性高的復合控制算法，將矢量控制和直接轉矩控制有效結合起來，揚長避短，可以同時滿足穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應的要求；二是針對多極永磁同步風力發(fā)電控制技術的研究，隨著永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)容量的不斷擴大，永磁同步風力發(fā)電機向多極化發(fā)展是必然的趨勢；三是對先進控制引入后的簡化處理，雖然目前已成功將諸如模型預測控制、自抗擾控制等先進控制技術與矢量控制和直接轉矩控制相結合，但是無一例外其計算過程非常復雜且難以理解；四是針對新型變流器拓撲結構，控制技術與多電平變換器結合的研究；五是針對基于觀測器的算法，使算法受電機參數(shù)影響更小，提高系統(tǒng)的可靠性。