寫在前面的話

隨著人們對環(huán)保問題越加關注，清潔可再生能源的發(fā)展越來越快，其中風能作為地球上蘊藏量豐富、清潔的可再生能源，因其具有較高的開發(fā)和環(huán)保價值而受到廣泛關注。風力發(fā)電由兩部分組成，即風能轉(zhuǎn)為機械能和機械能轉(zhuǎn)化為電能。前一部分通過風力機完成，將風能轉(zhuǎn)為機械能;后一部分是將風力機轉(zhuǎn)化的機械能進一步轉(zhuǎn)化為電能，由發(fā)電機完成。不同的風速，風機都會有一個與之對應的最佳轉(zhuǎn)速，通過控制發(fā)電機組在最佳轉(zhuǎn)速下運行實現(xiàn)最大功率輸出，是風機最大風能捕獲研究的關鍵。本期將利用PTS-5000模塊永磁同步發(fā)電機型風電逆變器通過間接轉(zhuǎn)速控制實現(xiàn)最大風能捕獲進行實驗分析，為老師提供相關實驗與教學資源參考。實驗模組PEK-520Lab6如圖1所示。

圖一 PEK-190 PEK-520最大風能捕獲實驗模組

PEK-520模組介紹：

PEK-520 為永磁同步發(fā)電機型風電逆變器(Maximum Power Point Tracking ofWTG)，模組實物照片如圖1所示，主要三部分組成，分別為風機驅(qū)動器模塊，發(fā)電機驅(qū)動器與永磁同步馬達(含PMSM與PMSG)。該模組實驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學習平臺，即借助PSIM 軟件完成仿真和實驗。第一實驗者可以在PSIM上建立模擬(連續(xù))仿真電路，以學習電力變換器的原理、分析和功能設計;第二將電力變換器的控制轉(zhuǎn)化去數(shù)字(離散)仿真部分，進行仿真研學;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信號生成功能，再次進行數(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，以備實物實驗。這樣設計的最大優(yōu)點方便實驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。
進行實驗除需要PEK-520模組外，仍需配置永磁同步發(fā)電機機組、PEK-005A(輔助電源)和 PEK-006 (JTAG 下載器)等，并在PTS-5000的實驗平臺上完成，PTS-5000的實驗平臺如圖2所示。

PTS-3000 實驗平臺圖2 PTS-5000 的實驗平臺圖

永磁同步發(fā)電機型風電系統(tǒng)原理

遠程遙控的方式
在永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)主要包括風力機、直驅(qū)永磁同步發(fā)電機、功率變換器。風力機(風機)是捕獲風能并將其轉(zhuǎn)化為機械能的重要設備，傳動系統(tǒng)將風輪與發(fā)電機連接起來，永磁同步發(fā)電機將風輪吸收的機械能轉(zhuǎn)為電能，PMSG風力發(fā)電控制系統(tǒng)實行電能變換。PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 PMSG風力發(fā)電系統(tǒng)

永磁同步風力發(fā)電機最大風能捕獲控制
1.最大風能捕獲控制

功率-轉(zhuǎn)速關系曲線如圖4。

圖4 風電機組的功率-轉(zhuǎn)速關系曲線

圖中，V，V2，V3均用于表示風速，且V>vz>V3,0。用于表示發(fā)電機轉(zhuǎn)速，P用于表示風輪的輸出機械功率;P則用于表示發(fā)電機的最佳發(fā)電功率，通過連接每條轉(zhuǎn)速-機械功率曲線最佳風輪輸出功率點構成最佳發(fā)電功率曲線P(w。t)，通過控制機組狀態(tài)量使得風電機組按照最佳發(fā)電功率曲線運行即為最佳風能捕獲。

利用估測風機輸出功率追蹤MPPT曲線可得風機轉(zhuǎn)速命令，控制框圖5所示:

圖6 發(fā)電機系統(tǒng)控制框圖

2.PMSG數(shù)學模型

圖7 dq坐標系永磁發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程為:

發(fā)電機傳動系統(tǒng)模型為:

3.電壓電流雙閉環(huán)控制策略

通過坐標變換可知，永磁同步發(fā)電機dg軸電壓存在耦合項，為了便于實施控制，需要進行電壓的前饋補償，對旋轉(zhuǎn)后的電壓進行前饋解耦補償，補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，即設置d軸電流id為0，進而結合輸出功率得到式:

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

圖10 永磁同步風力發(fā)電機最大風能捕獲控制仿真圖

圖11 實驗仿真結果圖

圖12 風機端功率指令與發(fā)電機端輸出功率

圖13 A相電流與風機轉(zhuǎn)速

實驗：

當模塊在啟動前，系統(tǒng)進行了轉(zhuǎn)子初始位置檢測以防止電機反轉(zhuǎn)。通過觀察電機驅(qū)動器的定子電流和電機轉(zhuǎn)速可知，增加了初始位置檢測與啟動后PMSM電機能夠平滑啟動且達到給定轉(zhuǎn)速2000RPM。根據(jù)顧客的應用需要，直流電源的設計亦隨時代演進衍生出許多特殊功能，這些功應用PTS5000完成最佳風能捕獲，其連接線圖如圖14所示。PSW160-7.2設定電壓為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 實驗接線圖

圖15 不同風速下P-N曲線