本發(fā)明涉及一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率控制方法。

背景技術(shù)：

目前風(fēng)力發(fā)電的成本已接近于火力發(fā)電的成本，且對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有污染，因此風(fēng)力發(fā)電受到廣泛重視。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率追蹤，提高系統(tǒng)的效率，成為目前風(fēng)力發(fā)電的主流。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是2種典型的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。后者因其省去了齒輪箱，采用全功率的變換器，具有效率高、對(duì)電網(wǎng)異常的適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)，逐漸成為研究熱點(diǎn)。

直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率變化的交流電通過(guò)發(fā)電機(jī)側(cè)變換器轉(zhuǎn)換成直流電，再經(jīng)網(wǎng)側(cè)變換器轉(zhuǎn)換成頻率與電網(wǎng)一致的交流電送到電網(wǎng)。發(fā)電機(jī)側(cè)的AC/DC變換器有2種類(lèi)型：1）二極管不控整流器或附加Boost或Buck-Boost 電路構(gòu)成；2）由全控電力電子器件構(gòu)成的脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變換器。前者具有成本低、無(wú)位置傳感器及控制方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但由于無(wú)法直接控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，輸出最大功率受到限制，且由于不控整流使定子電流中諧波分量較大，電機(jī)的損耗和振動(dòng)增大。后者可以有效控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，更有效地進(jìn)行最大功率追蹤、優(yōu)化發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能，正得到越來(lái)越多的應(yīng)用。網(wǎng)側(cè)變換器一般采用三相電壓型PWM 變換器，其主要作用是將發(fā)電機(jī)側(cè)變換器輸出的電能高質(zhì)量地輸送到電網(wǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服初始位置檢測(cè)和最大功率跟蹤的難題，本發(fā)明提出一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率控制方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明通過(guò)對(duì)風(fēng)力機(jī)特性的分析，提出一種基于最佳電磁轉(zhuǎn)矩給定的最大功率追蹤方案，采用矢量控制對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，并提出轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)的方法。

一種永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率控制方法包括最大功率追蹤控制、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器控制三個(gè)部分。

所述最大功率追蹤控制是根據(jù)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)計(jì)算最佳轉(zhuǎn)矩，控制系統(tǒng)采用電流閉環(huán)。

所述轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的初始位置，確定光電編碼器的零刻度與轉(zhuǎn)子磁極初始角之間的角度差。

所述網(wǎng)側(cè)變換器控制是通過(guò)控制直流母線電壓的穩(wěn)定將電能送到電網(wǎng)上，還可根據(jù)電網(wǎng)的需要調(diào)節(jié)功率因數(shù)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出的最大功率追蹤方案和一種轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)的方法，采用矢量控制對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制。通過(guò)對(duì)控制方法的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的驗(yàn)證，證實(shí)了所提出的初始位置檢測(cè)方法和最大功率追蹤方案的有效性，且整個(gè)系統(tǒng)及其最大功率控制方法具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

附圖說(shuō)明

圖1為轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系圖。

圖2為最大功率追蹤控制圖。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1，控制發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性，使轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間滿足最佳轉(zhuǎn)矩曲線關(guān)系，則系統(tǒng)會(huì)在風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性與發(fā)電機(jī)機(jī)械特性(即最佳轉(zhuǎn)矩曲線)的交點(diǎn)上達(dá)到平衡，圖1中的A、B、C、D4點(diǎn)。這4 個(gè)點(diǎn)分別是相應(yīng)風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)輸出最大功率點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于最佳葉尖速比下，而且這4 點(diǎn)都是穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。

控制發(fā)電機(jī)從軸上吸收的機(jī)械轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速符合最佳轉(zhuǎn)矩曲線的關(guān)系。在電機(jī)控制中，無(wú)論控制轉(zhuǎn)速還是控制功率，最終均是通過(guò)控制電磁轉(zhuǎn)矩或表征電磁轉(zhuǎn)矩的有功電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤更為直接簡(jiǎn)便。將最佳轉(zhuǎn)矩減去空載轉(zhuǎn)矩，作為電磁轉(zhuǎn)矩的指令?？蛰d轉(zhuǎn)矩，是鐵耗、摩擦損耗及雜散損耗對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤的關(guān)鍵是如何快速準(zhǔn)確地控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。對(duì)于永磁同步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，采用矢量控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制。

圖2中，根據(jù)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)計(jì)算最佳轉(zhuǎn)矩，減去鐵耗、摩擦損耗及雜散損耗引起的阻轉(zhuǎn)矩，即得到最佳電磁轉(zhuǎn)矩指令。若在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，控制定子d 軸電流為0，則電磁轉(zhuǎn)矩與q 軸電流成比例。對(duì)d、q 軸電流進(jìn)行閉環(huán)控制，即可實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤?？刂葡到y(tǒng)只有電流閉環(huán)，非常簡(jiǎn)潔，控制參數(shù)的設(shè)計(jì)有成熟的工程設(shè)計(jì)方法，所以控制系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的不是控制器的設(shè)計(jì)，而是轉(zhuǎn)子位置角的檢測(cè)。

由于發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)有差別，即發(fā)電機(jī)在沒(méi)有進(jìn)行初始位置檢測(cè)之前就轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，故電動(dòng)機(jī)初始位置檢測(cè)的方法對(duì)其不適用。因此，初始位置的確定只是中間目標(biāo)，光電編碼器的零刻度與轉(zhuǎn)子磁極初始角之間的角度差才是最終目標(biāo)，這個(gè)角度差還可以有另外一種描述，就是光電編碼器的輸出與轉(zhuǎn)子實(shí)際位置之間的角度差。在光電編碼器轉(zhuǎn)至零刻度時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)的空載端電壓，可以得到轉(zhuǎn)子位置的電角度。

發(fā)電機(jī)側(cè)變換器控制發(fā)電機(jī)捕獲最大的風(fēng)能，并將其送到直流母線上，從而引起直流母線電壓的波動(dòng)。網(wǎng)側(cè)變換器通過(guò)控制直流母線電壓的穩(wěn)定將電能送到電網(wǎng)上，還可根據(jù)電網(wǎng)的需要調(diào)節(jié)功率因數(shù)。其運(yùn)行性能直接決定了送向電網(wǎng)的電能質(zhì)量，也決定了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能。因此對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制。

在d 軸電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，d、q 軸電流分別為有功和無(wú)功電流?？刂芼 軸電流的大小，可以控制流向電網(wǎng)的有功功率的大小，及時(shí)將發(fā)電機(jī)發(fā)出的能量輸送到電網(wǎng)上，就可保證直流母線電壓的穩(wěn)定?？刂苢 軸電流，可以控制系統(tǒng)流向電網(wǎng)的無(wú)功功率，通常控制q 軸電流為0 以獲得單位功率因數(shù)。