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1、永磁直驱式风力发电系统的直接转矩控制,目录,1、永磁直驱式风力发电系统2、永磁直驱式风力发电变流系统 3、永磁同步电机直接转矩控制4、最大功率跟踪控制,1、永磁直驱式风力发电系统,1.1系统结构 永磁直驱型风力发电系统的基本结构图如图 1 所示，主要包括风力机、永磁同步发电机、电力电子变流装置、控制及保护系统、并网变压器等。图1 永磁直驱风电系统结构图,1、永磁直驱式风力发电系统,1.2基本原理 当风力机的桨叶受到风以一定的速度和攻角作用后会产生旋转力矩使风力机转动起来，即是风能转化为机械能了。然后与风力机同轴连接的永磁同步发电机也会随之转动起来，旋转的永磁同步发电机会发出交流电，其交流电的幅
2、值和频率是随风速的变化而变化的，即是机械能转化为电能。然后将发出的电能在形式上经过 ACDCAC 变换，得到与电网幅值、相位、频率一致的交流电后经变压器馈送至电网上，系统中的两组变流器 ACDC 和 DCAC背靠背连接，故称为背靠背驱动变流器。根据变流器的不同作用和位置，可分为电机侧变流器和电网侧变流器。,1、永磁直驱式风力发电系统,问题（1）系统结构中风力机与发电机的转子是直接耦合的，所以永磁同步发电机所发出的电压大小、频率均与风速有关，会随着风速的改变而改变，具有不稳定性，因此不能直接并网。（2）风电机组发出的电若要并入电网必须满足三个条件，即风电机组输出电压的幅值、频率、相位及相序均与电
3、网保持一致，故需要电力电子变流装置。,2、永磁直驱式风力发电变流系统,2.1变流系统结构 永磁直驱式变速恒频风力发电变流系统如图2所示。它包括永磁同步电机（PMSG）和背靠背全功率双 PWM 变流器。图2 基于双 PWM 的永磁直驱变速恒频风力发电变流系统,2、永磁直驱式风力发电变流系统,2.1.1电机侧变流器（1）电机侧 ACDC 变流器采用 PWM 电压源型拓扑结构，作用是调节永磁同步发电机输出的电磁转矩，从而实现对电机转速的调节，进而保证风力机的工作状况符合实现最大功率跟踪（MPPT）的要求。（2）电机侧变流器不仅可以调节永磁同步发电机的电磁转矩，还可以根据不的控制算法对永磁同步电机的损
4、耗、容量利用率以及响应速度等性能指标进行优化控制，以提高整个系统的性能。电能的形式从永磁同步发电机发出的电压幅值和频率时变的交流电转换为直流电。,2、永磁直驱式风力发电变流系统,2.1.2电网侧变流器（1）电网侧 DCAC 变流器，作用是将不稳定的直流电转换为与电网的幅值、相位、频率等都一致的交流电后并入电网，其拓扑结构与电机侧 ACDC 变流器是相同的。（2）若不计电能损耗的情况下，电网侧 DCAC 变流器可将电机侧 ACDC变流器输出的有功功率全部输送到电网上，并且通过控制还能维持直流电压恒定的作用。（3）通常情况下，电网侧 DCAC 变流器的控制目标是使得输出的电压和电流同相位，谐波含量
5、少，归纳起来就是要实现电网侧变流器功率因数为1，即无功功率Qref=0。还可以通过调节电网侧变流器输出电压和电流的相位关系，起到调节电网无功的作用。,3、永磁同步电机直接转矩控制,3.1永磁同步电机控制策略目前，最流行的永磁同步电机的控制策略有：矢量控制和直接转矩控制两种。3.1.1矢量控制和局限性（1）矢量控制，即基于转子磁场定向的控制方式，将定子电流进行分解成励磁电流分量和转矩电流分量，实现了彼此解耦和独立控制，在原理和特性上和直流电机的控制十分相似。（2）电机的运行过程中，电机自身的物理参数会发生较大的变化，从而难以实现对磁链的准确观测和定向，需要复杂的旋转坐标变换运算。（3）矢量控制技
6、术中的转矩控制、弱磁控制、无位置传感器技术方面都受到本身控制思想实现的复杂性的影响，使得其难以进一步发展和推广应用。,3、永磁同步电机直接转矩控制,3.1.2直接转矩控制（1）在定子坐标系下分析交流电机的数学模型的，控制电机的磁链和转矩。省掉了复杂的旋转坐标变换和计算。所用到的控制信号也易于检测和观测。（2）基于定子磁链定向，只需电机的定子电阻就可以把磁链观测出来。受电机参数变化影响小。（3）采用空间矢量的概念来分析三相交流电机的数学模型和控制各个物理量，使控制思想简单明了。（4）直接控制量是磁链和转矩，其转矩的动态响应速度较快，响应时间较短。,3、永磁同步电机直接转矩控制,3.2永磁电机数学
7、模型永磁同步电机在d-q轴系下磁链方程为=+=电压方程=+=+电磁转矩方程=3 2(运动平衡方程=,3、永磁同步电机直接转矩控制,3.3直接转矩控制的基本原理 永磁同步电机在不同坐标系下的矢量关系如图4所示，与转子同步旋转的d-q坐标系，d轴正方向为转子磁链方向；与定子同步旋转的x-y坐标系，x轴正方向为定子磁链方向；两相-静止坐标系，轴正方向与电机a轴重合。,图3 PMSM在不同坐标系下的矢量图,3、永磁同步电机直接转矩控制,定义定子磁链 与转子磁链 之间的夹角为，称为转矩角。定子磁链在d-q轴投影分量如下 d-q坐标系下定子电流分量如下=|cos=|sin,=|cos=|sin,3、永磁同
8、步电机直接转矩控制,对于隐极式永磁同步电机=3 2|sin采用空间矢量的分析方法，在定子坐标系下的相绕组电压方程可表示为=+定子磁链为=)所以可以通过控制电压矢量来改变定子磁链的旋转速度，而转子磁链和定子电压空间矢量无直接的关系，由于转子磁链的旋转速度不会发生突变，从而改变转矩角的大小可以达到改变转矩的目的。,3、永磁同步电机直接转矩控制,永磁同步发电机直接转矩控制的主要思想是选取适当的电压矢量去改变转矩角和磁链幅值，从而实现直接控制转矩。,图4 基本空间电压矢量与扇区,3、永磁同步电机直接转矩控制,开关电压矢量表的构造永磁同步发电机直接转矩控制状态下的开关矢量选择表的选择方法如图5所示，其中
9、和分别表示为电磁转矩和定子磁链滞环比较器的输出值。,图5 空间电压矢量选择表,3、永磁同步电机直接转矩控制,3.4直接转矩控制结构图永磁同步发电机直接转矩控制系统的结构框图如图6所示,图6 永磁同步电机直接转矩控制原理图,3、永磁同步电机直接转矩控制,定子磁链的轴和轴分量的计算公式如下=|cos=|sin 定子磁链的幅值计算公式如下：|=2+2 定子磁链的位置计算公式如下=arctan(电磁转矩的计算公式如下：=3 2(,4、最大功率跟踪控制,4.1风力机数学模型把叶片的叶尖圆周速与风速之比，称为叶尖速比：=2=式中：n为风轮转速；R 为风力机叶片半径；为风速；为风轮旋转角速度。风力机的捕捉功率和转矩可表示为：=1 2(,)2 3=式中：为空气的密度；为风能利用系数；为叶片的桨距角。(,是叶尖速比和桨叶节距角的函数，调节桨距角可调节风力机的捕捉功率和转矩。,4、最大功率跟踪控制,桨距角一定时，风力机所捕获的风能只和风能利用系数有关。为了使风力发电机运行在最优状态，必须使叶尖速比处于最佳值，从而达到最佳风能利用系数，从而实现了风力机组最大功率跟踪的目标。=其中 是最优叶尖速比，是最优转速。风力机的最大功率为：_=_=2 _ 3 2 3 3,谢谢,
