我最大功率半直驱永磁风力发电机下线
徐启超 王猛 李淑贤 蔡亚非
【摘 要】本文提出了一种变速恒频风电系统的控制策略（WECS），将最大功率点跟踪（MPPT）算法运用到直驱永磁同步电机上（PMSG）。提出一种基于贝茨理论的叶尖速比控制方法在直驱永磁风电系统中的应用，以便实现对风能的最大跟踪。其次介绍了风力机以及永磁同步电机的数学模型，验证了运用叶尖速比法的最大功率点跟踪算法可以提高风能的转化效率。
【关键词】永磁同步电机；最大风能跟踪原理；叶尖速比控制方法
0 引言
为了完全实现变速风能功率发电系统，发展先进的控制方法在变化风速下俘获风力机的最大功率输出是很重要的。目前主要有叶尖速比法，功率信号反馈法和登山搜索法来实现对风能的最大跟踪捕获。其中，功率信号反馈法和登山搜索法需要对风机的固有特性进行测量，增加了系统的运行成本和难度。本文采用的是最佳叶尖速比法来实现对PMSG最大功率的跟踪控制。
1 PMSG的拓扑结构
图1 PMSG拓扑结构
PMSG使用了背靠背形式的双极性PWM变流器并以此当做变流系统的核心，它的结构示意图如上所示，系统的主要内容有传动主轴与风力发电机、双极性PWM变流器、PMSG和其所在的控制系统等，变流系统最主要的部分是双极性的PWM变流器，它的主要构成部分是处于发电机一侧的变流器、电网侧的逆变器和处于直流母线侧的电容。
2 最大风能捕获原理
风力机所吸收的功率可以通过贝茨理论表示为P=0.5CpρSV3其中：Cp—风能利用系数；β—空气密度（Kg/m2）；v—风流动速度（m/s）；S—桨叶旋转面积（m2）。
叶尖速比λ、桨叶节距角β这两个因素与风能的利用程度有着非常重要的关系。在λ=ωmR/V，R—风力机桨叶的扫掠半径（m），ωm—风力机机轮的机械角速度（rad/s）。当β的数值被确定的时候，影响Cp的数值的因素只有叶尖速比。对于某些比较特别的风力机而言，若β值已知情况下，若使风力机风能利用系数（CPmax）最大，仅有一个最完美恰当的叶速比λopt值与之符合，更重要的是所对应的风机的风能转换程度也达到最高。
3 PMSG在三相静止坐标系下的数学模型
PMSG定子线圈三相绕组用A、B、C来表示，实验假设定子电压以及定子电流的方向为正，对于装式PMSG三相静止坐标系下的模型，若以A相绕组轴线所代表的方向是正方向，B相绕组滞后于A相120°，C相绕组超前A相绕组120°，转子永磁体产生的磁场最大值用Ψf表示，磁场在空间按正弦规律分布，磁场最大值与A相绕组的轴线夹角为θ。
定子三相绕组的电压方程为：
u■u■u■=R■i■i■i■+■■■
式中，uA、uB、uC—三相定子电压瞬时值（V）；iA、iB、iC—三相定子电流瞬时值（A）；ΨA、ΨB、ΨC—三相定子绕组磁链瞬时值（Wb）；RS—定子电阻（Ω）。
由上式可以看出，永磁发电机的电压方程是非线性方程，方程中的变量是随永磁电机定转子的夹角和转速变化而改变的，如果对电机转子的转速的夹角进行测量相对困难，目前采用较多的方法是对发电机的数学模型变换，获得相对简单的等效数学模型，因此，对发电机的控制就相对简单一些。
4 最佳叶尖速比控制方法原理
PMSG指的是把风力机和发电机不经过增速齿轮箱而直接相连的结构。风力机的风速ω和发电机的转速ωg相同，即ω=ωg，本文通过对PMSG最大功率跟踪控制所采用的是叶尖速比法。其基本工作原理是在某一个特定风速下，在最优叶尖速比下获得最大的风机能量，为了对风能资源的最大利用，风机转子速度会随风速做相应的改变从而实现变速运行。
依据上述的风力机特性，根据公式λ=ωmR/V（R表示为风力机叶片半径），计算出在任意时刻风速下风力机的最优转速，并且通过安装在风力机上的速度观察器获得当前风力机的速度，所得到的反馈速度和最优转速比较，把比较结果送到控制器中，控制器的作用是根据输入结果来控制风力机转速，从而实现对风能的最大功率跟踪。
5 结语
本文的主要内容是对PMSG的工作原理及最大风能捕获方式进行分析研究，对比三种风能最大跟踪控制所有的方法，提出了最佳叶尖速比控制方法来实现PMSG的最大风能跟踪控制。
【参考文献】
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[3]彭国平，李帅，鱼振民.小型风电系统最大功率跟踪的研究.西安交通大学学报，2004，38（4）：357-360.
[責任编辑：朱丽娜]
