寫在前面的話：
隨著人們對(duì)環(huán)保問題越加關(guān)注，清潔可再生能源的發(fā)展越來越快，其中風(fēng)能作為地球上蘊(yùn)藏量豐富、清潔的可再生能源，因其具有較高的開發(fā)和環(huán)保價(jià)值而受到廣泛關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電由兩部分組成，即風(fēng)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能和機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。前一部分通過風(fēng)力機(jī)完成，將風(fēng)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能；后一部分是將風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)化的機(jī)械能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能，由發(fā)電機(jī)完成。不同的風(fēng)速，風(fēng)機(jī)都會(huì)有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速，通過控制發(fā)電機(jī)組在最佳轉(zhuǎn)速下運(yùn)行實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，是風(fēng)機(jī)最大風(fēng)能捕獲研究的關(guān)鍵。本期將利用PTS-5000模塊永磁同步發(fā)電機(jī)型風(fēng)電逆變器通過間接轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，為老師提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)資源參考。實(shí)驗(yàn)?zāi)＝MPEK-520Lab6如圖1所示。
圖1 PEK-520最大風(fēng)能捕獲實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M
PEK-520模組介紹
PEK-520 為永磁同步發(fā)電機(jī)型風(fēng)電逆變器(Maximum Power Point Tracking of WTG)，模組實(shí)物照片如圖1 所示，主要三部分組成，分別為風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與永磁同步馬達(dá)（含PMSM與PMSG）。該模組實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫槭褂谜咛峁┗贒SP控制的電力變換器學(xué)習(xí)平臺(tái)，即借助 PSIM 軟件完成仿真和實(shí)驗(yàn)。第一實(shí)驗(yàn)者可以在PSIM上建立模擬（連續(xù)）仿真電路，以學(xué)習(xí)電力變換器的原理、分析和功能設(shè)計(jì)；第二將電力變換器的控制轉(zhuǎn)化去數(shù)字（離散）仿真部分，進(jìn)行仿真研學(xué)；第三借助DSP芯片內(nèi)部所具有的A/D轉(zhuǎn)化器、數(shù)據(jù)處理和PWM信號(hào)生成功能，再次進(jìn)行數(shù)字（離散）仿真；第四通過PSIM 之 C代碼生成功能，將控制部分生成C代碼；最后將生成的C代碼下載于PEK-510的DSP之中，以備實(shí)物實(shí)驗(yàn)。這樣設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)方便實(shí)驗(yàn)者能夠快速完成DSP對(duì)變換器主電路的控制。
進(jìn)行實(shí)驗(yàn)除需要PEK-520 模組外，仍需配置永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)組、PEK-005A(輔助電源)和 PEK-006 (JTAG 下載器)等，并在 PTS-5000 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成，PTS-5000 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。
圖2 PTS-5000 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖
永磁同步發(fā)電機(jī)型風(fēng)電系統(tǒng)原理
遠(yuǎn)程遙控的方式
在永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括風(fēng)力機(jī)、直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)、功率變換器。風(fēng)力機(jī)（風(fēng)機(jī)）是捕獲風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要設(shè)備，傳動(dòng)系統(tǒng)將風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)連接起來，永磁同步發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，PMSG風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)實(shí)行電能變換。PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖3所示。
圖3 PMSG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能捕獲控制
1.最大風(fēng)能捕獲控制
功率-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖4。
圖4 風(fēng)電機(jī)組的功率-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線
利用估測(cè)風(fēng)機(jī)輸出功率追蹤MPPT曲線可得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速命令，控制框圖５所示：
圖５ 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制框圖
發(fā)電機(jī)系統(tǒng)控制框圖如圖６所示
圖6 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)控制框圖
2.PMSG數(shù)學(xué)模型
不同坐標(biāo)系下PMSG的物理模型如圖7所示。
圖7 不同坐標(biāo)系下PMSG的物理模型
在dq軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型定子電壓方程如下：
永磁發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為：
發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)模型為：
3.電壓電流雙閉環(huán)控制策略
通過坐標(biāo)變換可知，永磁同步發(fā)電機(jī)dq軸電壓存在耦合項(xiàng)，為了便于實(shí)施控制，需要進(jìn)行電壓的前饋補(bǔ)償，對(duì)旋轉(zhuǎn)后的電壓進(jìn)行前饋解耦補(bǔ)償，補(bǔ)償后得到的控制方式為：
解耦整理得：
利用定子磁鏈方向定向控制，即設(shè)置d軸電流id為0，進(jìn)而結(jié)合輸出功率得到式：
即q軸電流可以控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和輸出功率，由此，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和輸出功率可以由對(duì)發(fā)電機(jī)的q軸電流iq進(jìn)行控制。在電壓電流雙閉環(huán)控制策略中，外環(huán)采用轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)采用電流環(huán)，控制策略可以表示為：
其中，kpd、kid、kpq、kiq分別表示dq軸電流內(nèi)環(huán)比例和積分的增益。
圖8 電流內(nèi)環(huán)d軸控制框圖
圖9 電流內(nèi)環(huán)q軸控制框圖
PSIM仿真
在PSIM搭建模擬仿真圖如圖7所示。仿真結(jié)果如圖10、11、12與圖13所示。
圖10 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能捕獲控制仿真圖
圖11 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果圖
圖12 風(fēng)機(jī)端功率指令與發(fā)電機(jī)端輸出功率
圖13 A相電流與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速
實(shí) 驗(yàn)
根據(jù)顧客的應(yīng)用需要，直流電源的設(shè)計(jì)亦隨時(shí)代演進(jìn)衍生出許多特殊功能，這些功應(yīng)用PTS5000完成最佳風(fēng)能捕獲，其連接線圖如圖14所示。PSW160-7.2設(shè)定電壓為130V，電流3A，將PSW電源開啟后，依序?qū)EK520-1開啟，最后將PEK520-2開啟。
能包含：
圖14 實(shí)驗(yàn)接線圖
當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，風(fēng)機(jī)的功率曲線隨之變化，最大功率點(diǎn)也會(huì)不同，將不同風(fēng)速的最大點(diǎn)繪出一條最大功率曲線（MPPT），各風(fēng)速下最大功率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速如表1，通過改變風(fēng)速觀察輸出功率是否保持在最大功率點(diǎn)上。
圖15 不同風(fēng)速下P-N曲線
表1 不同風(fēng)速下最大功率點(diǎn)的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速
以風(fēng)速U取5為例，通過示波器可觀測(cè)風(fēng)機(jī)功率為14.5W，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為691rpm：
圖16 風(fēng)速為5時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)功率
結(jié) 論
由結(jié)果可以看出，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，通過最大功率跟蹤控制，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到當(dāng)下風(fēng)速之最大功率點(diǎn)。
