0 引言

直驱永磁同步发电机组具有可靠性高、发电效率高、运行及维护成本低、电网接入性能优异等优点，使得直驱式永磁同步发电系统受到了越来越多的关注。风力发电机控制技术中的直接转矩控制(direct torque control，DTC)具有转矩动态响应迅速、对电机参数依赖少、控制结构简洁、本质上无位置传感器等优点。DTC-PMSG应用于风力发电场合，通过采用离散空间矢量调制技术，改善了风机模拟系统的低速性能[1]。针对永磁电机运行状态，文献[2-8]利用矢量控制技术，提出几种方法来估测电机转子的信息和推导系统的控制准则。文献[4]采用自适应控制技术、文献[5]采用中心差分滤波算法、文献[6]采用滑模观测器法、文献[7-8]采用反电动势法来实现无传感器控制。但文献[4-6]算法计算量大，实现复杂。文献[8]在电机高速运行范围内，显示出了反电动势法的有效性和实用性。通常风速较低时，兆瓦级风力发电系统处于停机状态，可以避免反电动势观测器法在低转速下的估计不准确的缺点。

　　以最大风能捕获为风力发电系统在不同风速下的控制目标，本文提出一种既不依赖于风速测量及转速测量，又具有较高控制精度的风能捕捉策略，利用风力机特性和永磁同步电机功率特性实现发电机转速的调节，最终实现风能较大程度的利用。

1 直驱永磁同步风力发电机组模型

　1.1 风力机模型

　　风力机是将风能转化为机械能，并通过风轮轴向发电机输送能量的装置。风力机的功率及叶尖速比为：

　　式中，?籽为空气密度(kg/m3)；r为风轮半径(m)；风力机转速(rad/s)；Pm为风力机机械功率；?姿为叶尖速比；为桨距角。而Cp的计算公式如下：

1.2 永磁同步发电机模型

　　由于永磁同步电机内部电磁关系十分复杂，建立精确的数学模型比较困难。为简化分析，通过假设和坐标变换理论，可以推导出两相静止坐标系中PMSG定子磁链及电磁转矩方程，具体如下：

　　式中：us、is、?追s分别为定子电压矢量、电流矢量及磁链矢量，这些矢量在?琢、?茁坐标上的投影分别用下标“s?琢”和“s ?茁”标注。Rs、pn分别为定子电阻和磁极对数；Te为电磁转矩。

　　永磁同步电机的转子运动方程为：

　　式中，B是摩擦系数，J是电机的转动惯量，Tm是输入给永磁电机的机械转矩。

2 发电机组控制策略与控制系统设计

　　2.1 直驱风力发电机组的控制策略

　　2.1.1 速度观测器

　　与矢量控制不同，直接转矩技术摒弃了解耦的思想，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。即控制系统不用得到精确的位置估计来转换坐标，只需要观测作为参考输入的转子转速。在仍然沿用理想电机模型的一系列假设的前提下，内埋式永磁同步电机静止两相?琢、?茁坐标系数学模型[7]可表示：

　　其中，u、i、e、?棕分别为电压矢量、电流矢量、电动势及角速度，这些矢量在?琢、?茁坐标上的投影分别用下标“?琢”和“?茁”标注。Ld、Lq分别为发电机d、q轴电感；p为微分算子；Rs为定子电阻；KE为反电动势常数；微分运算符“′”仅对iq有效。本文中应用的反电动势法主要由用于估计反电动势的观测器和用于获取转子信息的锁相环组成。由式(9)可获得反电动势[e?琢 e?茁]T，再将其作为锁相环的输入。估计反电动势的观测器和锁相环如图1(a)、(b)所示。锁相环的两相输入本身异号，故调节器的右边为两个信号的相加。图中，通过一个低通滤波器滤出的电动势的相位即包含了转子位置的信息。

　　2.1.2 统一变桨距控制

　　采用变桨距控制的风力发电机组在风速低于额定风速时，能够获得最大升力，提升风力发电机组的风能利用率；当风速超过其额定风速时，风力发电机的输出功率能保持稳定，最终使风力发电机组的发电效率得到了提高。这里变桨距控制系统如图2所示。通常情况下，桨距角的调整范围为-2°～30°，并在最高速率±10°/s间变化。

　　2.1.3 风能捕获

　　在给定风速下，只有尖速比最优时，才能获得最大的风机能量。当风速改变时，风机转子速度相应地改变以保护最优的尖速比，从可以利用的风资源中获取最大功率输出。在两相静止坐标系下，永磁同步发电机输出的有功功率为：

　　考虑定子铜耗：

　　忽略铁耗和机械损耗后的功率方程为：

　　通过风机特性方程式(1)与(12)联合，在Pm和最大风力利用系数Cpmax时对应一个参考转速：

　　此时，发电机有功功率Pe与风机机械功率Pm不断变化，参考转速也在不断变化，直至达到所处风速下的最优功率值。

　2.2 带有速度观测器的直驱永磁风力发电系统设计

　　根据上述理论分析结果，构建如图3所示的带有速度观测器的直驱式永磁同步风力发电机组风能捕获控制策略框图。

　　对永磁同步电机的控制主要由发电机和电机侧的PWM变流器完成。首先，将检测得到的电机电压和电流信号进行从三相静止坐标系到两相静止坐标系的坐标变换，经过磁链和转矩观测器对电机的定子磁链幅值和电磁转矩进行观测，得到当前状态下磁链幅值和电磁转矩的实际值；然后，分别与定子磁链幅值和电磁转矩的给定值进行滞环比较；最后，利用比较器的输出结果再与磁链矢量所在的空间扇区号共同决定逆变器的开关状态，实现对直接转矩控制。

　　以定子电压、定子电流及其他相关参数计算得到的参考转速为被控变量，对永磁同步发电机组的转速进行控制；与此同时，同样用定子电流、定子电压及相关参数计算得到估计转速。利用与估计转速通过控制器得到电磁转矩，实现最大风能捕获控制。

3 实验研究

　　本文实验中采用的2 MW风力发电系统的参数如表1所示。为了验证所提出的速度观测器法的有效性及实用性，选取的风速应当包含高于额定风速和低于额定风速的情况。仿真中用到的风速曲线如图4所示，变化范围在9～16 m/s。当观测的转速不作为控制系统的输入时，风力发电系统的实际转速与估计转速对比如图5所示。可以从图中看出，在0～2 s期间，估计的转速并不能很好地跟踪实际的转速；在2～20 s期间，除了有很小的滞后之外，估计转速能较准确地跟踪实际转速的变化，并且具有较高的检测精度。

　　根据提出的控制策略，下面把观测的转速作为控制系统的输入，并且与安装传感器的风力发电系统的运行参数进行比较分析。由于图5中，实际的转速与估计的转速在到达一定时间后才达到估计精度的要求，所以在6～20 s期间分别对有速度传感器和无速度传感器的风力发电系统的转速、风力机机械功率、风力利用系数、电网侧有功功率进行仿真对比，分别如图6、图7、图8和图9所示。其中上图为无速度传感器的风力发电系统的运行情况，下图为带有速度传感器的风电系统。

　　图4中，6～12 s时间段内为风速小于额定风速12 m/s的情况。6～12 s时间段内，风力机机械功率将低于其他时间段；而整个控制过程中此时间段的发电机转速也小于其额定转速。由图6和图7可以看出，在实际的运行中，估计的转速仍然延迟于实际的转速，无传感器的风力机的机械功率在6～7 s略有下降，但此后并不影响风力发电系统的运行。图8、图9中的对应时间段内，风能利用系数Cp在6～12 s的时间段内，捕获风能的能力不理想，所以在这时间段内的风力机机械功率和电网侧的有功功率也比较低。但在12 s以后，基本上风力利用系数都达到了最大值0.438附近。

4 结论

　　本设计通过在全风速范围内采用变桨距控制，有效限制了风力发电机组的转速；对风力发电系统采用速度观测器法来实现风能捕获控制，使电网侧功率变换器电网有功功率具有较好的稳定性。仿真结果表明，提出的直驱永磁同步风力发电机组速度观测器法具有实用的控制效果，不仅实现快速风速跟踪和准确地估计转速，且对于风速波动的未知干扰具有较强的鲁棒性。

参考文献

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