直驱式永磁同步风电机组机侧PWM控制

孙延昭,黄守道,黄科元,佘峰

(湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410012)

　　摘要:在介绍永磁同步发电机(PMSG )d ,q 轴数学模型和矢量控制理论基础上,提出在直驱式永磁同步风电系统机侧采用PWM 控制方式,通过转子磁场定向控制策略,实现有功无功功率解耦控制,减小了损耗,并且较好地控制了转速。利用Matlab/Simulink 进行仿真,并给出了仿真结果。同时搭建了基于TMS320F2808控制器的试验平台,对该控制策略进行了实验,实验结果验证了该控制系统的正确性与可行性。

关键词:直驱式永磁同步发电机组;矢量控制;转子磁场定向中图分类号:TM315　　　　文献标识码:A

PWM Control of Directly 2driven Permanent Magnet Synchronous Wind Turbines in Motor Side

SUN Yan 2zhao ,HUAN G Shou 2dao ,HUAN G Ke 2yuan ,SH E Feng

(College of Electrical and Inf ormation Engineering ,Hunan University ,Changsha 410012,Hunan,China )

Abstract :The PWM control strategy of directly 2driven permanent magnet synchronous wind turbine sys 2tem in motor 2side was presented ,which based on the dq 2axis mathematical model of PMSG and the vector con 2trol theory ,by using the strategy of rotor field oriented ,the active power and reactive power can be decoupled ,while the loss can be decreased ,and the rotor speed is controlled very well.Matlab/Simulink was carried out to prove the validity of the system ,and the simulating results was given.An experimental system based on TMS320F2808was set up to verify the validity and the feasibility.

K ey w ords :directly 2driven permanent magnet synchronous generators ;vector control ;rotor field oriented

　　基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目(754202004)　　作者简介::孙延昭(1982-),男,硕士研究生,Email :syz1998@163.com

　　变速恒频风电系统的发电机的转速能随风速的变换而变换,能够按照最佳效率运行,变速恒频发电系统是当今风电系统发展的一个趋势[1]。

目前,对于永磁直驱式风电系统的机侧大多采用不控整流+升压斩波的结构,而对于机侧采用PWM 控制结构的研究相对较少,由于不控整流桥的非线性特性,使得整流桥输入侧电流特性畸变严重,降低了发电机的效率[2],基于此,本文重点研究了采用机侧PWM 的控制策略,并通过仿真和试验对其进行验证,证实了该控制策略的正确性和可靠性。

1　双PWM 型风电系统基本结构

双PWM 型风电系统基本结构如图1所示。L 为包括外接电抗器的电感和电机定子电感,R 为电机内部电阻及外接线路电阻,C 为电容,具有稳压作用。从发电机输出频率不断变化的电流,由PWM 整流器将其转化为电压恒定的直流电,

经中间直流稳压环节由电网侧逆变器将电能馈入电网。同机侧采用二极管不控整流相比,采用PWM 整流器可对功率因数进行控制,同时,通过矢量控制技术来控制电机在不同运行环境下,可以实现对电机的最大转矩,最大效率,最小损耗控制,并且PWM 变流器可提供几乎为正弦的电流,减少了发电机侧的谐波电流

。

图1　双PWM 型风电系统结构

Fig.1　Structure of back 2to 2back PWM wind power system

2　永磁同步发电机dq 数学模型

图2为永磁同步电机定、转子电流,磁链空间

2

4电气传动　2009年　第39卷　第11期EL ECTRIC DRIV E 　2009　Vol.39　No.11

矢量图[3]

。

图2　永磁同步电机旋转坐标图

Fig.2　Rotary coordinate frame of permanent

magnet synchronous motor

　　为分析永磁同步电机的动态性能,建立dq

转子旋转坐标系,将转子磁链Ψf 定向在d 轴上,

q 轴超前d 轴90°,i f 为转子等效励磁电流。将图

2中定子合成电流矢量i s 在d ,q 轴上分解为

i s =i d +i q

(1)

　　为简化分析,我们假定:忽略铁心饱和;不计涡流和磁滞损耗;转子上没有阻尼绕组;空间磁势及磁通分布为正弦;dq 轴旋转坐标系下的永磁同步发电机数学模型如下[3]:

u d =-R s i d -L d d i d /d t +ωL q i q

u q =-R s i q -L q d i q /d t -ωL d i d +ωΨf (2)式中:u d ,u q 分别为d ,q 轴电压;i d ,i q 分别为d ,q 轴电流;L d ,L q 分别为定子直轴电感和定子交轴

电感;Ψf 为永磁体励磁磁链(不考虑温度影响为一常数);ω为定子电角速度;R s 为定子相电阻。

若不考虑转子磁场的凸极效应并且电机气隙均匀,即L d =L q =L ,则式(

2)可写为

u d =-R s i d -L d i d /d t +ωL q

u q =-R s i q -L d i q /d t -ωL i d +ωΨf (3)

　　永磁同步发电机在dq 同步旋转坐标系下的

等值电路如图3所示。

图3　PMSG 的等值电路

Fig.3　Equivalent circuit of PMSG

　　电磁转矩方程

T e =1.5pi q [i d (L d -L q )+Ψf ]

(4)

式中:p 为极对数。

　　由式(4)可知,电磁转矩T e 由i d ,i q 两个分量共同决定,如果使定子电流合成矢量i s 位于q 轴,而使d 轴分量为0,则定子电流全部用来产生转矩,这样即实现了磁场电流分量和转矩电流分量的解耦控制,可以使永磁同步电机具有和传统

直流电机相同的运行性能。式(4)可变为

T e =1.5p Ψf i s

(5)　　由式

(3)可知,d ,q 轴之间存在耦合项(ωL i q ,ωL i d ),u d 不仅依赖i d ,同时和i q 也有关系。u q 不仅依赖i q ,同时和i d 也有关系。在电机参数已知的情况下,可通过完全去耦控制来实现精确的线性化控制。可以通过电压前馈补偿的方法来消除二者之间的耦合[4],其控制框图如图4所示。

图4　电压前馈补偿

Fig.4　Voltage feedforward compensation

3　机侧PWM 控制策略

图5给出了机侧PWM 控制框图。

ω3为当前风速下对应的发电机最佳转速,其值可由风力机最佳风能特性曲线得出,ω3根据实测风速v 和

最佳功率的函数得出。

ω3作为转速的指令值与发电机实际转速ω相比较,经过PI 调节器得到参考电流i

3q ,i 3q 与机侧经过坐标变换得到的实际电流i q 相比较并利用电压前馈补偿,最终得到电压参考u q 。d 轴电流参考值i 3d 设为0,与实际值i d 相比较经PI 调解器和电压前馈最终得到d 轴电压u d 。u d ,u q 再经过Park 逆变换得到u α,u β,利用SV PWM 电压空间矢量调制方法产生PWM 波控

制机侧整流器。

图5　机侧PWM 控制框图

Fig.5　Generator 2side PWM control diagram

3

4孙延昭,等:直驱式永磁同步风电机组机侧PWM 控制电气传动　2009年　第39卷　第11期

4　仿真研究及实验验证

为验证该控制系统的正确性,本文利用Mat 2lab/Simulink 对系统进行了仿真,仿真参数为:永磁同步电机每相绕组电阻R =2.875Ω,交直轴电感

L d =L q =8.5×10

-3

H ,转子磁链幅值0.175Wb ;转

动惯量0.00082kg ・m 2;阻尼系数0;电机极对数4。其仿真波形如图6～图8

所示。

图6　转速指令值改变时实测转速波形

Fig.6　The measured waveform of speed

when speed given value

varies

图7　转矩改变时转速波形Fig.7　Speed waveform wh 2

en torque varies

图8　转矩改变时i d ,i q 波形

Fig.8　i d ,i q waveforms

when torque varies

　　图6所示,在1s 和2s 时发电机转速的指令值由80r/min 分别突增到120r/min 和150r/min ,发电机的实测转速能快速地跟踪指令值,动态性能良好;图7外加转矩在1.2s 时由-6N ・m 突增到-10N ・m ,可看出由于转矩的增加,转速在1.2s 时有较小波动,随即又稳定在80r/min ,其动态性能良好;由图8可看出i d 可稳定在0值附近,而i q 能够快速跟踪指令值变化。　　为验证控制系统的有效性,本文构建了基于机侧PWM 控制的试验平台,如图9所示,他励直流电机作为原动机拖动永磁同步电机发电,通过控制直流电机的转矩来模拟风力机的转矩[5]。变流器由TMS320L F2808为核心的控制器控制,逆变电路和电网由一负载R L 代替[6]。同步发电机的参数为:额定功率7.5kW ,额定电压380V ,额定转速600r/min ,极对数5。直流电动机参数为:额定功率7.5kW ,励磁方式:他励,励磁电流2.47A ,励磁电压180V 。实验波形如图10、图11所示。　　图10为发电机转速控制在180r/min 时外加转矩由0突加到-16N ・m 时的转速波形,可看出转速有一定的波动,

随后又稳定在原来的速图9　机侧PWM 控制实验系统结构图

Fig.9　Structure diagram of generator 2side PWM

cont rol experimental

system

图10　转矩改变时的转速波形

Fig.10　S peed wave when

torque varies

图11　转矩改变时i d ,i q 波形

Fig.11　i d ,i q waveforms

when torque varies

度上,表明该系统能够较好地控制转速。

　　图11为外加转矩由0突加到-16N ・m 时i d ,i q 的波形,可以看出i d 基本稳定在0值不变,i q

由0变为负值,并稳定在一个固定的值。i q 全部用来产生电磁转矩,实现了有功功率和无功功率的解耦控制,与仿真结果基本保持一致,从而验证了该控制系统的正确性。

5　结论

借助于永磁同步发电机的d ,q 轴数学模型和矢量控制理论,通过转子定向控制策略,实现了d 轴和q 轴的解耦控制,将其运用到机侧发电控制中,并对控制系统的性能进行了试验验证,试验结果良好,能够很好地控制发电机转速,并且电磁转矩全部由

i q 产生,此种控制结构有较好的应用前景。

参考文献

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社,2002.[2]　M ′onica Chinchilla ,Santiago Arnaltes ,J uan Carlos Burgos.Con 2

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版社,1997.[4]　周志刚.一种感应电机的解耦控制方法[J ].中国电机工程

学报,2003,23(2):121-125.[5]　刘其辉,贺益康,赵仁德.基于直流电动机的风力机特性模

拟[J ].中国电机工程学报,2006,26(7):134-139

收稿日期:2008208205修改稿日期:2009205231

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4电气传动　2009年　第39卷　第11期孙延昭,等:直驱式永磁同步风电机组机侧PWM 控制