基于矩阵变换器的永磁直驱风力发电系统直接转矩控制研究.pdf

Shebei Guanli yuGaizao设备管理与改造基于矩阵变换器的永磁直驱风力发电系统直接转矩控制研究黄代珊苗辉（国网乌鲁木齐供电公司，新疆乌鲁木齐8 3 0 0 0 0)摘要：针对永磁同步发电机和矩阵变换器组成的变速直驱风力发电系统，提出了一种直接转矩控制方案。所提出的直接转矩控制策略直接从估计的转子转速中获得最优转矩控制，并作为参考转矩应用于系统。通过将发电机转矩控制在最优值，可以实现各种风速下的最大功率点跟踪，而不需要额外的风速或转子位置传感器。该方法的主要优点在于对风速变化的响应准确、快速，实现简单，同时对系统参数和永磁同步发电机的变化具有很好的鲁棒性。最后，通过仿真试验，验证了所提控制方案的有效性。关键词：矩阵变换器；风力发电系统；直接转矩控制中图分类号：TM921.51D01:10.19514/32-1628/tm.2023.20.021文献标志码：A文章编号：1 6 7 1-0 7 9 7(2 0 2 3)2 0-0 0 7 7-0 40引言近年来，随着化石燃料的减少和生态环境保护要求越来越高，风力发电等清洁能源开发利用越来越广。在风力发电系统中,最为常见的变速发电系统通常由双馈感应发电机(DFIG)或永磁同步发电机(PMSG)组成。与感应发电机相比，永磁同步发电机具有效率高、重量轻、可多极设计等优点，且永磁直驱风力发电系统由于可省去中间连接齿轮箱 2 ，系统的运行和维护成本将大大降低，其应用前景最为广阔。变速直驱风力发电系统通常采用背靠背拓扑结障诊断方法研究J】.机电工程，2 0 2 1，3 8（1 0：1 2 6 1-1 2 6 8.5李学哲，王菲，付永钦，等。基于振动分析的矿用通风机故障预警技术研究 J.煤矿机械，2 0 2 1，4 2（4)：1 7 1-1 7 4.6谭丕成，万元，朱红平，等.多源信息融合的水轮机组振动测量方法 J.中国测试，2 0 2 1，4 7（9）：9 4-1 0 0.7彭文季，郭鹏程，罗兴.基于最小二乘支持向量机和信息融合技术的水电机组振动故障诊断研究 J.水力发电学报，2 0 0 7,2 6(6)：1 3 7-1 4 2.8杨涛，黄树红，陈非，等.基于时间信息融合的振动故障诊断方法 J.振动、测试与诊断，2 0 1 1,3 1（4)：4 4 5-4 4 9.9李江澜，李欢.基于贝叶斯-BP神经网络的机械制造企业安全预警方法研究 J.安全与环境工程，2 0 2 0，2 7（1)：152-157.10王菲，李学哲，王彦昕，等.面向应急的振动检测模式研究 J.机电信息，2 0 2 3（5)：8 5-8 8.构的电压源变换器来实现最大功率点跟踪控制(MPPT)，并根据电网核负载需求实现电压幅值和频率的调节。矩阵变换器(MC)是一种交-交强制整流型功率变换器 3 ,其特点是不需要使用储能元件，设计紧凑，系统运行寿命长，输入电流和输出电压为正弦等。目前，诸多永磁风力发电系统控制策略的机理均是根据风速变化及时调整发电机转速，从而实现最大功率点跟踪。文献 4 提出一种结合扰动与观测控制和基于最优关系控制的MPPT技术。文献 5 采用矢量控制(VC)策略，通过解耦有11赵学智，叶邦彦，陈统坚.短时傅里叶变换的时频聚集性度量准则研究 J。振动、测试与诊断，2 0 1 7，3 7（5）：948-956.12周伟，冯仲仁，王雄江基于改进经验傅里叶分解的工作模态分析 J.振动与冲击，2 0 2 1，4 0（9）：4 8-54.13赵洪山，高夺，张健平.风机齿轮箱振动信号的稀疏傅里叶变换分析 J】.中国电力，2 0 1 6，4 9（8）：6 9-7 3.收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 9作者简介：申瑶（1 9 9 7 一），女，河北人，硕士研究生，研究方向：应急管理信息化智能化技术。通信作者：李学哲（1 9 7 6 一），男，吉林人，工学博士，副教授，研究方向：精密测试技术与仪器、应急管理信息化技术等。机电信息2 0 2 3 年第2 0 期总第7 1 6 期7 7设备管理与改造Shebei Guanli yu Gaizao功和无功功率来实现风能的最大功率跟踪。本文提出了一种基于MC控制架构的永磁直驱风力发电系统直接转矩控制(DTC)策略，与矢量控制方法相比，该方法结构简单，除定子电阻外不需要电机精确参数，鲁棒性好。基于MC的直接转矩控制方法充分利用开关表优势，可获得很高的动态性能。同时，由于MC可产生更高数量的可用于调制的电压矢量，除可实现多电平转换器性能外，还能减小传统直接转矩控制方法固有的转矩脉动。最后，通过仿真试验验证了该控制方法的有效性及可行性。1基于矩阵变换器的永磁直驱风力发电系统模型1.1风力机模型风力机从风力中提取的机械功率可表示为：式中：p为风密度；A,为叶片扫掠面积；Cp为风力机功率系数；入为叶尖速比;为俯仰角；Vw为风速。由于在直驱式风力发电系统（WECS）中，风力机直接与永磁同步发电机相连而不需要齿轮箱，因此WECS的运动方程表示为：2H dal-Ba+B-Do.dtotot式中：2 H为WECS的总惯性常数；W,为机械旋转角速度；P为电气功率；D为阻尼系数。1.2永磁同步发电机模型同步d-q旋转坐标系下三相永磁同步发电机的动力学模型为：disddtdia-+o.Ym,Us=Rjia+wLisa+LaqdtT.=3卫业2|V,|Lasin 8+|,|(La-Lq)sin 28 式中：UsvUsgviavig分别为d-q旋转坐标系下的定子电压和定子电流；LavL.为d、q 轴等效电感；R.为定子电阻；为电气角速度；为永磁体磁链；业为定子磁链；T为电磁转矩；p为极对数；8 为磁链角。2基于矩阵变换器的直接转矩控制方案3X3型矩阵变换器是一个由9 个双向开关组成的阵列，它直接将三相电压源与三相负载相连，具有27种可能的开关状态，可以产生2 7 个输出电压矢量。基于矩阵变换器的直接转矩控制方法通过控制定子磁链量的大小和位置来控制电磁转矩，如图1所示。可以看出，与传统VSI型直接转矩控制一样，参考转矩与估测转矩的误差值作为三电平滞环比较器输入量，参考磁链与估测磁链的误差值作为两电平滞环比较器输入量。根据这两个滞环比较器输出，可以得到定子磁通扇区数，并通过表1 所示的开关表选择合适的电压矢量。2HBTrefsin(1)(2)(3)电网abc/apA矩阵变换器DTC-MC开关表合abc/ap磁链估测转矩估测Topt图1 MC-DTC控制策略示意图表1 传统VSI-DTC开关表定子磁链矢量CoCT+1+10-1+1-10-1基于矩阵变换器的直接转矩控制方法还可实现输入功率因数控制，一旦通过开关表确定了合适的电压矢量，sin滞环控制器输出即为功率因数误差信号，其中为输入电流矢量和中性点电压矢量间的位移角。因此，根据前一步得到的电压矢量和期望输baPMSGMPPT速度编码器12V2V;V1V。VVV2V3V4V。VV。VsVVV23V4VVoV,VsVViVV。VV44Vs5V。V7V46VVoVsV2V,78机电信息2 0 2 3 年第2 0 期总第7 1 6 期Shebei Guanli yu Gaizao设备管理与改造入电流矢量的扇区，通过查找表2 所示的MC-DTC开关表，即可确定适用于矩阵变换器的合适电压矢量。图1 给出了基于矩阵变换器的直驱永磁风力发电系统直接转矩控制策略示意图，其中Tror和业rer分别为最大功率点跟踪控制计算得到的参考转矩和参考磁链。3最大功率点跟踪控制风力发电系统中最大功率点控制的目标是通过调节叶尖速比大小来获得最大功率输出，其曲线如图2 所示。在本文提出的永磁直驱风力发电系统中，将最优转矩作为系统的参考转矩指令，以实现最大功率跟踪控制。最优机械角速度可简单估算为：Wopi=opVw/R式中：op为最优叶尖速比下达到的最优机械角速度；入op为最优叶尖速比；R为风机叶片旋转半径。结合式（1)和式(4)，风力机最大输出机械功率和永磁同步发电机电磁转矩参考值可表示为：Pmx=Koro,(TrF-Kopo?1C。+1V-3V2+9V3-6V4+3Vs-9V。+6X1031110987MY/率765432100式中：Kox=0.5pA.CpmRaopu，其中Cpmx为风机最大功率系数。该关系式描述了风机在不同风速下的最优转矩-风机转速特性，可用于确定平衡点处直接转矩控制系统的最优电磁转矩指令，将其应用于系统可实现最大功率控制。4仿真试验为验证基于矩阵变换器的永磁直驱风力发电系统直接转矩控制方案的有效性，进行了Matlab仿真试验。风机叶片半径R为2 m，风密度p为1.0 8 kg/m，最优叶尖速比入op计算为0.0 8，风力机最优功率系数Cpmx为0.4 8,PMSG采用极对数为3 的标贴式永磁同(4)步发电机，功率设定为1 0 kW，永磁体磁链为0.9 Wb，定子电阻为0.0 9 8 5Q,定子d、q 轴电感均为0.0 1 mH。首先研究了系统的动态性能，开始风速设定为9.6m/s，在1.2 s时刻增加到1 2 m/s，在1.8 s时刻降低至1 0.8 m/s。图3 为两种风速下电磁转矩的变化情况，可以看出，转矩指令随风速和风机转速的变化而变(5)化，并通过MPPT输出参考转矩应用于系统。表2 MC-DTC开关表输入电压矢量23-1+1+1+2-7-8+4+5-1一2+7+84-52V1020图2MPPT曲线4-1+1-3-1+9+7-6-4+3+1-9-7+6+4MPPT曲线VV4V3040发电机速度/(rad/s)5-1+1+2+3-8-9+5+6一2-3+8+9-5-6-80-100(UN)/联转甲-120140160-180-18200200220-22d1.2-24050606-1+1-1-2+7+8-4-5+1+2-7-8+4+51.211.2151.221.2257080-1+3-9+6-3+9-6-电磁转矩T0.20.40.60.8图3电磁转矩波形+1+1-7+4-1+7-4一111.21.41.61.82.02.2时间/s-1-2+8-5+2-8+5机电信息2 0 2 3 年第2 0 期总第7 1 6 期7 9设备管理与改造ShebeiGuanli yuGaizao图4 和图5分别表示定子磁链大小及其d-q轴分量和d-q轴电流分量，可以看出采用MC-DTC后，定子磁链失真小，调节效果好。为了评估该策略的最大功率点跟踪性能，设定风速在0 1 7 m/s范围内变化，图6 给出了风力发电机产生的机械功率轨迹和风力机功率特性曲线，表明风机输出机械功率始终沿最大功率点跟踪曲线运行，也说明了MPPT控制方法的有效性。0.5定子滋链轴分-0.510.20.40.60.8图4定子磁链波形40定子电流d轴分量isd20100-10-20-400.20.40.60.8图5定子电流波形14MPPT曲线12108642005结论本文提出了一种基于矩阵变换器的直驱永磁风力发电系统直接转矩控制方法，继承了传统直接转矩控制方法动态响应速度快等优点。矩阵变换器可以产生更多的电压矢量，在降低磁链和转矩纹波的同时，还实现了最大功率点跟踪和系统效率的提高。整个MC-DTC方案不需要PI控制器，在改变电机参数时具有较好的鲁棒性。最后通过Matlab仿真试验，验证了MC-DTC策略的有效性。参考文献1赵姝怡.风力发电系统最大功率跟踪控制策略研究 D.秦皇岛：燕山大学，2 0 2 2.定子磁链轴分量2宁中天.永磁发电机在风力发电系统中的应用及发展J.电气时代,2 0 2 2(5)：8 1-8 3.3段永辉.矩阵变换器-永磁同步电机系统低电压穿越控制策略 D.天津：天津大学，2 0 1 9.4 XIA Y Y,AHMEDK H,WILLIAMS B W.A New Maximum1Power Point Tracking Technique for Permanent11.21.41.61.8 2.02.2时间定子电流q轴分量i邮11918发电机转速/（rad/s）图6风机功率输出波形Magnet Synchronous Generator Based Wind EnergyConversion System J.IEEE Transactions on PowerElectronics,2011,26(12):3609-3620.5马亚光.基于空间矢量的三电平矩阵变换器策略研究D.焦作：河南理工大学，2 0 2 0.1111.21.41.61.82.02.2时间/s风速1 3 m/s上-风速1 2-m/s-风速1 0.8 m/s112736145541上63172收稿日期：2 0 2 3-0 6-1 6作者简介：黄犬珊（1 9 8 0 一），女，新疆人，助理工程师，研究方向：输变电工程。通信作者：苗辉（1 9 9 2 一），男，陕西人，助理工程师，研究方向：电网物资管理。80机电信息2 0 2 3 年第2 0 期总第7 1 6 期