第29卷第27期中国电机工程学报 V ol.29 No.27 Sep. 25, 2009
106 2009年9月25日 Proceedings of the CSEE ?2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2009) 27-0106-06 中图分类号：TM 614 文献标志码：A 学科分类号：470?40
直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制
赵仁德，王永军，张加胜
(中国石油大学(华东)信息与控制学院，山东省东营市 257061)
Maximum Power Point Tracking Control of the Wind Energy Generation System With Direct-driven Permanent Magnet Synchronous Generators
ZHAO Ren-de, WANG Yong-jun, ZHANG Jia-sheng
(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Dongying 257061, Shandong Province, China)
ABSTRACT: To improve the performance of the maximum power point tracking (MPPT) control of the wind energy generation system (WEGS) with direct-driven permanent magnet synchronous generators (PMSG), the principle of MPPT control of the WEGS using optical characteristic curve was explained according to wind turbine output characteristics. The advantage and disadvantage of speed and power control in MPPT were analyzed. A novel MPPT control scheme based optimal electromagnetic torque reference and a new method for detecting initial rotor position of the PMSG were proposed. A 10kW experimental prototype of the WEGS with direct-driven PMSG and the wind turbine simulator controlled by TMS320F2812 DSP have been developed respectively for the experiments of the initial rotor position detection and system operation at steady and step change wind speeds. Experimental results prove the effectiveness of the proposed initial rotor position detection method and the MPPT control scheme.
KEY WORDS: wind energy generation; direct-driven; maximum power point tracking; permanent magnet synchronous generators
摘要：为提高直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪的效果，根据风力机的输出特性，阐明最佳特性曲线法实现风力发电系统最大功率追踪的原理，分析转速控制和功率控制方案的不足，提出基于最佳电磁转矩给定的最大功率追踪方案和一种适合于永磁同步发电机(pemanent magnet synchronous generator，PMSG)的转子初始位置检测方法。分别构建了以TMS320F2812 DSP为控制核心的10kW风力机模拟系统和直驱式永磁同步风力发电系统，进行初始位置的检测、风速稳定和突变时系统的运行实验，实验结果验证了所提出的转子初始位置检测方法和最大功率追踪方案的有效性。
关键词：风力发电；直驱；最大功率追踪；永磁同步发电机0 引言
目前风力发电的成本已接近于火力发电的成本[1]，且对环境几乎没有污染，因此风力发电受到广泛重视。变速恒频风力发电技术能够实现最大功率追踪，提高系统的效率，成为目前风力发电的主流。双馈风力发电系统和直驱式永磁同步风力发电系统是2种典型的变速恒频风力发电系统。后者因其省去了齿轮箱，采用全功率的变换器，具有效率高、对电网异常的适应力强等特点[1]，逐渐成为研究热点[1-13]。
直驱式永磁同步风力发电机发出频率变化的交流电通过发电机侧变换器转换成直流电，再经网侧变换器转换成频率与电网一致的交流电送到电网。发电机侧的AC/DC变换器有2种类型：1）二极管不控整流器[2-3]或附加Boost[4]或Buck- Boost电路[5]构成；2）由全控电力电子器件构成的脉宽调制(pulse width modulation，PWM)变换器[3,6]。前者具有成本低、无位置传感器及控制方法简单等优点，但由于无法直接控制发电机的电磁转矩和磁链，所以动态响应慢，输出最大功率受到限制[2-3,7]，且由于不控整流使定子电流中谐波分量较大，电机的损耗和振动增大[6]。后者可以有效控制发电机的转矩和磁链，更有效地进行最大功率追踪、优化发电机的运行性能，正得到越来越多的应用[2,6]。网侧变换器一般采用三相电压型PWM变换器，其主要作用是将发电机侧变换器输出的电能高质量地输送到电网。
变速恒频风力发电系统中，最大功率追踪的方法：1）寻优法[7]，适用于转动惯量小且风力机的参数不明确的小型风力发电系统；2）最佳特性曲线
第27期 赵仁德等： 直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制 107
法[9,14]，适合于转动惯量较大且风力机的参数明确的大、中型风力发电系统。
本文通过对风力机特性的分析，阐明采用最佳特性曲线法追踪最大风能的原理，并分析转速控制和功率控制的优缺点，提出一种基于最佳电磁转矩给定的最大功率追踪方案，采用矢量控制对永磁同步发电机进行控制，并提出转子初始位置检测的方法，构建样机，通过实验验证所提出的初始位置检测和最大功率追踪方案的有效性。
1 最大功率追踪原理
1.1 风力机的输出特性
设风力机叶片半径为r ，空气密度为ρ，风速为v ，则风力机轴上输出的机械功率为
P mech = 0.5 C P
(λ,β )πρ r 2v 3 (1)
式中C P
(λ,β )为风能利用系数，反映风力机吸收风能的效率。风速确定时，风力机吸收的风能只与C P
(λ,β )有关。桨叶节距角β 一定时，C P
(λ,β )是叶尖速比λ 的函数，如图1所示，此时存在一个最佳叶尖速比λopt ，对应最大的风能利用系数C Pmax 。
C P C 图1 风能利用系数与叶尖速比的关系 Fig. 1 Blade characteristic: C P versus λ
叶尖速比λ
是叶片尖端的线速度与风速之比：
wt /r v λω= (2) 式中wt ω为风力机的转速。当风力机运行于最佳叶
尖速比的状态时，风速与风力机的转速成正比： wt opt /v r ωλ= (3) 此时，风力机轴上输出的机械功率为
233
wt mech _opt Pmax opt w opt 0.5()t
r P C r K ωρωλ=π= (4) 将式(4)的2边同时除以风力机的转速，可得风
力机轴上输出的机械转矩：
mech _opt 2
mech _opt opt wt wt P T K ωω== (5) 式(4)、(5)给出的风力机输出的机械功率、机械
转矩与转速之间的关系称为最佳功率曲线和最佳转矩曲线。当风力发电系统稳定运行于某一风速下的最大功率点处，风速与叶尖线速度之间满足式(3)，
即风力机处于最佳叶尖速比状态，此时风力机的输出功率与转速之间满足式(4)所给出的最佳功率曲线关系，风力机的输出转矩与转速之间满足式(5)所给出的最佳转矩曲线关系。所以，从这个角度上讲，最佳功率曲线、最佳转矩曲线与最佳叶尖速比是统一的。
不同风速下，风力机输出的机械功率、机械转矩、最佳功率和最佳转矩曲线如图2所示。图2(a)为风力机的功率–转速特性曲线；图2(b)为风力机的转矩–转速特性曲线，图2(b)中的转矩曲线为图2(a)中相应的功率曲线除以转速得到的，所以二者所表示的运行状态是一致的。
ωv 1
v 2 v 3
v 4
P v 1 < v 2 < v 3 < v 4
P mech_opt = K opt ω(a) 功率–转速关系曲线
ωv 1
v 2
v 3
v 4
T v 1 < v 2 < v 3 < v 4
T mech_opt = K opt ωw A
B
C
D (b) 转矩–转速关系曲线
图2 风力机的输出特性曲线
Fig. 2 Output characteristics of the wind turbine
1.2 最大功率追踪原理及具体实现方案
由图2(b)可以看出，控制发电机的机械特性，
使转矩与转速之间满足式(5)给出的最佳转矩曲线
关系，则系统会在风力机转矩特性与发电机机械特
性(即最佳转矩曲线)的交点上达到平衡，如图2(b)中的A 、B 、C 、D 4点。这4个点分别是相应风速下的风力机输出最大功率点，此时风力机运行于最
佳叶尖速比下，而且这4点都是稳定的平衡点，均满足稳定平衡点的条件： mech _opt mech wt wt d d d d T T ωω< (6) 最佳转矩曲线、最佳功率曲线及最佳叶尖速比具有一致性，故最大功率追踪的具体实现方案有：
1）转速控制。根据风速控制发电机的转速，使二者符合最佳叶尖速比的关系[8]。这是最易理解的方
108 中 国 电 机 工 程 学 报 第29卷
案，但在实际应用中，叶轮的面积较大，在整个叶轮面积内，并不是每一位置的风速都是一致的，风速检测的误差较大，实时性也不能保证，用来计算转速指令会有很大误差，所以通常不采用这种方案。
2）功率控制。控制发电机从轴上吸收的机械功率与转速符合最佳功率曲线的关系。由于直接测量或计算发电机从轴上吸收的机械功率比较困难，所以通常以并网的有功功率作为控制对象[6]，发电机轴上吸收的机械功率需要克服发电机自身的损耗、双
PWM 变换器的损耗才能成为并网的有功功率，而这些损耗不可忽略，又很难准确计及，故这种功率给定会有较大误差。3）转矩控制。控制发电机从轴上吸收的机械转矩与转速符合最佳转矩曲线的关系。在电机控制中，无论控制转速还是控制功率，最终均是通过控制电磁转矩或表征电磁转矩的有功电流来实现的。通过转矩控制来实现最大功率追踪更为直接简便。将最佳转矩减去空载转矩，作为电磁转矩的指令：
T e * = T mech_opt ? T 0
式中T 0为空载转矩，是铁耗、摩擦损耗及杂散损耗
对应的转矩。
上述这3种方案原理是等效的，但实现难易程度和准确度不同。转矩控制实现最大功率追踪的关键是如何快速准确地按式(7)控制发电机的电磁转矩。对于永磁同步发电机来说，采用矢量控制可以实现对电磁转矩的有效控制。
2 转子磁场定向的永磁同步发电机电磁转
矩控制
2.1 转子磁场定向的永磁同步发电机数学模型
同步旋转坐标系的d 轴定向于转子磁极轴线，
q 轴超前于d 轴90° 电角度，dq 轴随着转子磁极同步旋转，则在dq 坐标系下，根据电动机惯例，永磁同步发电机的定子电压方程为
f s e s e f d d d d d ()
d d d d d q q q q q q d d i u R i L L i t t i u R i L L i t ψωωψ?=++????
?=+++?? (8) 式中：u d 、u q 分别为变换器施加给永磁同步电机d 、q 轴电压分量；i d 、i q 分别为定子电流的d 、q 轴分量；L d 、L q 分别为定子d 、q 轴的自感；ωe 为转子的电角速度；ψ
f 为转子永磁体的磁链。 电磁转矩的表达式为
e f 3
[()]2
q d q q d T p i L L i i ψ=
+? (9) 式中p 为极对数。对于隐极永磁同步电机，或者在运行过程中使定子电流的d 轴分量始终为0，则
e f 3
2
q T p i ψ= (10) 可见，控制永磁同步发电机的电磁转矩，实际
上就是控制定子电流的q 轴分量，即转矩分量。 2.2 最大功率追踪控制
根据最大功率追踪的原理及永磁同步发电机的电压方程和电磁转矩表达式，可得如图3所示的基于最佳电磁转矩给定的最大功率追踪控制框图。
图3 永磁同步风力发电机最大功率追踪控制 Fig. 3 Maximum power point tracking of the permanent magnet synchronous generator
电磁转矩指令源于式(7)，根据系统的转速实时计算最佳转矩，减去铁耗、摩擦损耗及杂散损耗引起的阻转矩，即得到最佳电磁转矩指令。若在发电机运行过程中，控制定子d 轴电流为0，则电磁转矩与q 轴电流成比例。对d 、q 轴电流进行如图4所示的闭环控制，即可实现最大功率追踪。控制系统只有电流闭环，非常简洁，控制参数的设计有成熟的工程设计方法，所以控制系统中最为关键的不
是控制器的设计，而是转子位置角的检测。
2.3 转子位置检测
转子位置角通常采用增量式光电编码器进行
检测，由于直驱式永磁同步发电机的极对数较多，为了保证控制的精度，宜采用高分辨率的增量式光
电编码器。 增量式光电编码器输出的是转子位置相对于光电编码器零刻度的增量。安装光电编码器时，不能保证光电编码器的零刻度与转子磁极初始位置
一致，所以要得到转子的实际位置，需检测转子磁
第27期 赵仁德等： 直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制 109
极的初始位置。有很多方法检测或估算永磁同步电
动机的初始位置。但发电机与电动机有差别，发电
机在没有进行初始位置检测之前就转动起来，电动
机初始位置检测的方法对其不适用。 初始位置的确定只是中间目标，光电编码器的零刻度与转子磁极初始角之间的角度差才是最终
目标，这个角度差还可以有另外一种描述，就是光电编码器的输出与转子实际位置之间的角度差。注
意到，在发电机空载时，有 e e f e sin cos u u αβθωψθ?????=????????
式中：u α、u β 分别为发电机空载端电压在两相静止坐标系中的分量；θe 为转子位置的电角度。 如在光电编码器转至零刻度时检测发电机的空载端电压，可以得到 e0e0sin cos u θθ?????=?????????
?? (12) 此时可以得到转子位置的电角度θe0，则转子初始位置与光电编码器的零刻度位置之间的机械角度差为
Δθ = θ
0 = θe0
/p
设光电编码器读数得到的机械角度为θ ′，转子磁极的实际位置角θ
为
θ = θ
' + Δθ则电角度θe 为
θe = p θ3 网侧变换器的控制
发电机侧变换器控制发电机捕获最大的风能，并将其送到直流母线上，从而引起直流母线电压的波动。网侧变换器通过控制直流母线电压的稳定将电能送到电网上，还可根据电网的需要调节功率因数。其运行性能直接决定了送向电网的电能质量，也决定了整个风力发电系统的运行性能。通常对网侧变换器采用电网电压定向的矢量控制[15]，其控制框图如图4所示。
在d 轴电网电压定向的同步旋转坐标系中，d 、q 轴电流分别为有功和无功电流。控制d 轴电流的大小，可以控制流向电网的有功功率的大小，及时将发电机发出的能量输送到电网上，就可保证直流母线电压的稳定。控制q 轴电流，可以控制系统流
图4 网侧变换器控制框图
Fig. 4 Control scheme of the grid-connected converter 向电网的无功功率，通常控制q 轴电流为0以获得
单位功率因数。 4 实验研究 4.1 实验样机系统的构建 为了验证最大功率追踪方案的转子磁极初始
位置检测方法的有效性。构建了如图5所示的直驱式永磁同步风力发电实验样机系统。 图5 实验样机系统
Fig. 5 Schematic of experimental system
样机系统包含2部分：风力发电机系统和风力机模拟系统。风力发电机系统主要由直驱式永磁同步发电机、双PWM 变换器和以TMS320 F2812 DSP 为核心的控制系统构成。风力机模拟系统由三相感应电机、减速箱、变压器、二极管整流器、PWM 逆变器和基于TMS320 F2812 DSP 的控制系统构成。
1）发电机参数：极对数p = 10，额定功率
110 中国电机工程学报第29卷
P N=10kW，额定转速n N=200r/min，额定线电压U N=365V，额定线电流I N=17A，额定频率f N=3.33Hz，定子每相串联匝数N1=228，每极主磁通Φ =6.616×10?3Wb，定子电阻R s=0.362Ω，定子直轴电感L d=6.5mH，定子交轴电感L q=13.5mH；2）双PWM变换器的参数：进线电抗器的电感L=1.5039mH，等效电阻R=124.459mΩ，直流母线电容C=1700μF；3）风力机模拟的相关参数：风轮半径r=3.64m，空气的密度ρ =1.205kg/m3，最大风能利用系数C Pmax=0.48，最佳叶尖速比λopt=8.1；4）齿轮箱变比为1:7.22。
4.2 实验结果及分析
为了验证本文提出的转子初始位置检测的方案，设计了验证实验，图5中，当发电机输出侧开关K断开时，风力机模拟系统带动发电机转动，给控制系统和主电路上电，在光电编码器的最初几个零刻度点(Z信号出现的时刻)采集发电机端电压，按式(12)、(13)分别计算出转子初始位置角，取其平均值，作为转子初始位置角存于DSP中，在运行过程中作为常数使用。根据光电编码器的输出，利用式(14)、(15)得到转子磁链的电角度，加上90°即为定子空载电压的电角度，将测得的定子空载电压电角度与定子空载电压的实际电角度比较，可以验证初始位置角检测是否正确。
由于这2个角度是控制过程中的中间变量，无法用示波器直接观测，所以使发电机侧PWM变换器输出与测得的电角度相同相位的电压，同时测量发电机的端电压，如果开关K两侧的相应线电压相位一致，表明转子位置检测方案是有效的。依此思路进行实验验证，实验结果如图6所示。图中，u 为发电机侧变换器输出电压；u0为发电机空载端电压。由实验结果可知，发电机端电压与变换器输出电压相位一致，这验证了本文提出的转子初始位置检测方法的有效性。
t(10ms/格)
u0u
图6转子初始位置检测实验结果
Fig. 6 Experimental results for
rotor initial position detection
图7给出了风速为6m/s时系统稳态运行时的实验结果，图中U dc为直流母线电压。由图7可知，直流母线电压指令为650V，高压探头接示波器上得到的测量结果为649V，这表明网侧变换器对直流母线电压的控制是有效的；u ab、i a 分别为永磁同步发电机的定子线电压与定子相电流，电流波形为正弦，显示出良好的控制特性，可以看出它们的频率约为20.83Hz，根据风速由式(3)可得最佳转速为13.35rad/s，所以发电机发电的频率为21.24Hz，与实验值很接近，这验证了最大功率追踪的有效性；
i ga为A相并网电流，波形近似正弦，系统向电网输送高质量的电能。图7显示了系统具有良好的稳态特性。
U d
c
(
2
V
/
格
)
i
g
a
(
3
.
4
A
/
格
)
u
a
b
(
5
V
/
格
)
i
a
(
6
A
/
格
)
649
t(10ms/格)
U dc
i ga
i a
u ab
图7风速为6m/s时的稳态运行结果
Fig. 7 Experimental results for steady state
when wind speed is 6m/s
图8给出了风速由6m/s突变为8m/s然后再突变为6m/s这一过程中A相并网电流的波形。在单位功率因数下，并网电流的幅值与系统向电网发出的功率成正比，其幅值的变化直接反映最大功率追踪的效果。由图8可以看出，1）风速为6m/s时，并网电流的峰值约为5A，表明系统向电网发出的功率为1.5×311V×5A=2332.5W，根据式(1)和4.1节给出的风力机模拟系统的参数，此风速下风力机输出的最大功率为0.5×0.48×π×1.205kg/m3×(3.64m)2×(6m/s)3=2600W，考虑到这部分功率与并网功率之间还有各个环节的损耗及风力机模拟的误差，这已能证明风力发电控制系统和风力机模拟系统的具有良好的稳态性能；2）风速为8m/s时，并网电流约为12A，系统向电网发出的功率约为5598W，此风速下风力机输出最大的功率为6163.4W，二者之间差异增大，表明随着电流、转速的增大，损耗也增大，这也说明了要对并网功率进行控制很困难；3）风速突变时，并网电流即系
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统发出的功率随之变化，且有较高的精确性，表明
系统有良好的最大功率追踪的动态特性。
t (5s/格)
i g a (10 A /格)
图8 风速突变时并网电流的动态响应
Fig. 8 Phase current response to step change in wind speed
5 结论
通过对风力机特性的分析，阐明了风力发电系统最大功率追踪的原理，并针对直驱式永磁同步风力发电机，提出了基于最佳电磁转矩给定的最大功率追踪方案和一种转子初始位置检测的方法。构建了实验样机系统，进行了稳态和动态的实验验证。实验结果验证了所提出的初始位置检测方法和最大功率追踪方案的有效性，并展示出样机系统具有良好的动静态性能。
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收稿日期：2009-07-20。 作者简介：
赵仁德(1976—)，男，博士，讲师，研究方向为电机控制、可再生能源并网发电，zhaorende@ https://www.doczj.com/doc/8a1026733.html, ；
王永军(1970—)，男，学士，讲师，研究方向为电机控制；
张加胜(1956—)，男，博士，教授，研究方向为电力电子与电气传动。
赵仁德
(编辑 李婧妍)
哈尔滨工业大学 《交流永磁同步电机理论》课程报告题目：永磁同步风力发电机的设计 院 (系) 电气工程及其自动化 学科电气工程 授课教师 学号 研究生 二〇一四年六月
第1章小型永磁发电机的基本结构 小型风力发电机因其功率低，体积小，一般没有减速机构，多为直驱型。发电机型式多种多样，有直流发电机、电励磁交流发电机、永磁电机、开关磁阻电机等。其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用。 1.1小型永磁风力发电机的基本结构 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，永磁发电机可分为径向式、切向式和轴向式。 （1）径向式永磁发电机径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向结构小，径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态，只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通，因此气隙磁密相对较低。这种结构具有简单、制造方便、漏磁小等优点。 径向磁场永磁发电机可分为两种：永磁体表贴式和永磁体内置式。表贴式转子结构简单、极数增加容易、永磁体都粘在转子表面上，但是，这需要高磁积能的永磁体（如钕铁硼等）来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度，此种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套。内置式转子机械强度较高，但制造工艺相对复杂，制造费用较高。 径向磁场电机用作直驱风力发电机，大多为传统的内转子设计。风力机和永磁体内转子同轴安装，这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小；也有一些外转子设计。风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合，定子电枢安装在静止轴上，这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大的优点，缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护、安装和运输[1]。表贴式和径向式的结构如图1-1 a)所示。 a)径向式结构 b)切向式结构
光伏并网控制系统的最大功率点跟踪（MPPT）方法 2011年12月29日作者：周建华李冰郭玲田苗苗陈增禄来源：《中国电源博览》总第128期编辑：孙伟 摘要：最大功率点跟踪（MPPT）是光伏并网逆变器控制策略中的核心技术之一。本文首先介绍了光伏组件的输出特性，然后具体分析了3种典型的MPPT控制方法，并总结3种方法各自的特点和不足。 1 引言 日本福岛核电站事故之后，多国陆续宣布暂停核电建设，而太阳能是永不枯竭的清洁能源，并且更加稳定、安全。据国家权威数据，在“十二五”期间，中国光伏发电装机容量达到2000万千瓦。但由于光伏组件本身特性的非线性，受环境温度、日照强度、负载等因素的影响，均会使其输出最大功率点发生变化，导致光伏组件转换效率很低。而所有光伏发电系统均希望光伏组件在相同日照、温度条件下输出尽可大的功率，这就提出了对光伏组件最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的问题。本文首先讨论了光伏组件本身的P-V,I-V特性，以及温度、光照的影响；然后具体分析了几种常用的MPPT控制方法，并对3种MPPT控制方法作简单的比较。 2 光伏组件的特性 A. 物理数学模型 根据半导体物理学理论，太阳能组件的等效物理模型如图1所示。 其中： IPH 与日照强度成正比的光生电流； I0 光伏组件反向饱和电流，通常其数量级为10-4A；
n 二极管因子； q 电子电荷，； K 玻尔兹曼常数, J/K； T绝对温度（K）； RS光伏组件等效串联电阻； RP光伏组件等效并联电阻； 式（1）中参数IPH、Io、Rs、RP、n与太阳辐射强度和组件温度有关，而且确定这些参数也十分困难。 B. 温度、光照对输出特性的影响 受外界因素(温度、光照强度等)影响，光伏组件输出具有明显的非线性，图2、图3分别给出其I-V特性曲线和P-V特性曲线。 由以上两图可知，光伏组件的输出短路电流（Isc）、最大功率点电流（Im）随光照强度的增强而增大。光照强度的变化对组件开路电压影响不大，最大功率点电压（Um）变化也不大，如图3-A所示。温度对光伏组件的输出电流影响不大，短路电流（Isc）随温度升高而略微增加。但开路电压（Uoc）受温度影响较大，开路电压随温度升高近似线性地下降，因此温度对光伏组件最大输出功率有明显影响，从图2-B曲线的峰值变化可以看出。
永磁同步风力发电系统实验指导书 一、实验目的 1. 学习永磁同步风力发电系统的原理及其组成 2. 学习永磁同步风力发电系统并网过程及并网连续运行过程 3. 了解永磁同步风力发电系统MPPT控制方法与过程 二、实验器材 永磁同步风力发电系统V-Wind-YC、功率分析仪 三、实验内容与步骤 1. 了解整个永磁同步发电系统的组成和各个部分的主要功能（包括异步原动机、永磁同步电机、变频器、双向变流器等）。 2. 掌握永磁同步风力发电系统的并网过程和脱网过程。 （1）系统开机前准备 1）检查供电状态，2）接通控制电源，3）检查通信。 （2）启动网测变流器 在上位机主界面的“网测通讯”区域，点击“启动网测”按钮。 （3）启动风机 在上位机主界面的“变频器通讯”区域，在“给定转速”框中输入转速值，然后点击“启动风机”按钮。 （4）并网运行 在上位机主界面的“机测通讯”区域，点击“并网”按钮，并设置定子有功和定子无功。 （5）脱网 将给定定子有功和无功均设为0，并网输出功率逐渐下降，然后点击“脱网”按钮，脱网完成。 （6）停机 脱网完成后，将给定转速设为0，当风机逐渐停止后，点击“停止风机”按钮，然后点击“网测通讯”区域的“停止网测”按钮，最后关闭主电路旋钮。 3. 掌握永磁同步风力发电系统的自由并网试验。 （1）并网运行 将风机转速设为300r/min，电机转速稳定后，点击“并网”按钮。 （2）低速并网运行 电机转速为300r/min时，手动设定机侧有功功率500W至2000W，记录机侧相电流有效值、网测相电压有效值、网测相电流有效值、机侧有功和网测有功，填入表1中。
（3）额定速并网运行 电机转速设为1000r/min，手动设定机侧有功功率1000W至4000W，记录机侧相电流有效值、网测相电压有效值、网测相电流有效值、机侧有功和网测有功，填入表2中。 （4）离网 离网时，先将机侧给定有功设为0，等待实际功率降为零后，点击“离网”按钮使机侧脱网。 4. 永磁同步风力发电机最大功率跟踪实验 （1）MPPT运行 手动将给定转速设为300r/min，在电机稳定后，进行转子励磁，励磁完成后点击“并网”按钮。成功并网后点击“MPPT”按钮，“MPPT”按钮变绿，此时控制系统按风力机模拟环境运行发电，原动机根据设定的模拟风场特性运行，变流器进行MPPT最大功率跟踪运行。 （2）低速风况模拟 当风速小于12m/s，则风力场最大功率点在运行转速范围之内。此时在跟踪算法控制下，电机转速调整至最大功率点，输出功率为风机在此风速下能输出的最大功率。将基本风设为6m/s，8m/s，10m/s，记录此时电机转速和实时机侧有功功率，填入表3中。 （3）额定转速风况模拟
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目录 一、摘要 (3) 二、绪论 (3) 三、内容 (3) 2.1光伏电池的特性 (3) 2.2 MPPT基本原理 (4) 2.3 MPPT控制的实现 (5) 2.3.1控制算法 (5) 2.3.2硬件实现 (6) 2.3.3 软件实现 (7) 2.4实验结果分析 (7) 四、结论 (8) 五、参考文献 (8)
一、摘要 太阳能光伏阵列的输出特性受外界环境的影响具有强烈的非线性，为了提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，进行最大功率点跟踪(MPPT)，使之始终工作在最大功率点附近。本文通过对太阳能电池伏安特性的分析，采用自适应扰动观察算法，基于TMS320F2812设计了MPPT控制系统。实验结果表明，在此算法控制下，系统能够准确地跟踪最大功率点。 二、绪论 随着经济全球化进程的不断加速和工业经济的迅猛发展，能源问题已成为人类需要迫切解决的问题，大力发展新的可替代能源已成为当务之急。太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源，太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿性及维护性等其它常规能源所不具备的优点。光伏发电虽然具有以上的优势，但是实际应用中还存在很多的问题。光伏发电的主要缺点之一是太阳能电池阵列的光电转换效率太低。为了解决该问题，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，进行最大功率点跟踪(MPPT)，使之始终工作在最大功率点附近。目前，光伏系统的最大功率点跟踪问题已成为学术界研究的热点。 高性能的数字信号处理芯片(DSP)的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏发电控制系统成为可能。本论文就是在此背景下，采用TI公司生产的TMS320F2812进行控制，开展了太阳能发电系统的理论和试验研究，具有重要的现实意义。 三、内容 2.1光伏电池的特性 太阳能电池的输出特性是非线性的，它受到光照强度、环境温度等因素的影响。太阳能电池的等效电路如图1所示，图2是光伏电池在不同温度下的I-V、P-V特性，图3为光伏电池在不同日照强度下的I-V、P-V特性。[1][4][7]
最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用3X 赵庚申33,王庆章 (南开大学光电所,天津300071) 摘要:对最大功率跟踪控制中DC2DC变换器的原理和控制方法进行了实验研究,利用DC2DC转换电路和单片机控制系统实现最大功率点跟踪,使太阳电池始终保持最大功率输出;和普通的控制器相比增加输出功率5%～15%。 关键词:光伏(PV);最大功率点跟踪(MPPT);DC2DC变换器 中图分类号:TP206 文献标识码:A 文章编号:100520086(2003)0820813204 T racing and Control of Maximum Pow er Point in a PV System ZHAO G eng2shen33,WAN G Qing2zhang (Institute of Photoelectronics,Nankai University,Tianjin300071,China) Abstract:Principle and control method of DC2DC conversion for MPPT in a solar cell system experi2 mentally discussed.MPPT was implemented with a DC2DC conversion circuit and a MCU control system,and more output power of5to15percent than common control mathod was achieved. K ey w ords:photovoltaics system(PV);maximum power point tracking(MPPT);DC2DC conversion 1 引 言 独立光伏系统一般是由储能蓄电池电压来选择太阳电池输出电压,而对蓄电池的充放电控制则是通过监控蓄电池的电压实现,控制工作电压在一定程度上可以调节太阳电池的输出。但太阳电池的最大功率点是变化的。当太阳电池的最大功率点超出所控制的范围时,就会浪费一部分能源。因此,为了有效利用太阳能,就必须跟踪控制太阳电池的最大功率点来调节太阳电池的输出;同时将蓄电充电电压限制在一定的范围,以保证蓄电池有稳定的电压。在并网发电光伏系统中,通过跟踪控制太阳电池的最大功率点来调节太阳电池的输出,可以随时将系统富裕的电能馈送到常规电网,最大限度地利用太阳能。 DC2DC变换器是通过控制电压的方法将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路,被广泛应用于开关电源、逆变系统和用直流电动机驱动的设备中[1]。用DC2DC变换器可以实现最大功率点的跟踪(MPPT)。实际使用中用DC2DC变换器实现MPPT有不同的方法,其中谐振法是利用开关型电压逆变器的输出电压,通过电感、电容产生谐振,电感上的电压通过变压器和桥式整流向蓄电池充电。该方法可以通过改变工作频率来调节输出电压和电流,实现MPPT,但线路较复杂,需用中间变压器,本文将DC2DC变换器接入太阳电池的输入回路,并将对DC2DC变换器的输入、输出电压和电流测量结果通过单片机的分析运算,由单片机输出PWM脉冲调节DC2DC转换器内部开关管的占空比来控制太阳电池的输出电流,从而使蓄电池电压保持恒定。同时通过控制开关管的占空比也可调节太阳电池输出。由于采用了升降压式(buck2boost)DC2DC转换电路[2]来实现MPPT,所以该方法电路简单、软硬件结合、控制方法灵活。 2 MPPT原理和控制方法[3] 2.1 升降压式DC2DC变换电路 升降压式DC2DC转换电路原理如图1。在开关管Q1处于导通状态时,电源给电感L充电,L上的 光电子?激光 第14卷第8期 2003年8月 J ournal of Optoelectronics?L aser Vol.14No.8 Aug.2003 X收稿日期:2003203212 3 基金项目:“十五”国家重大科技攻关资助项目(2002BA901A44) 33E2m ail:zhaogs@https://www.doczj.com/doc/8a1026733.html,
第31卷 第4期 2008年8月 电子器件 Chinese J ournal Of Elect ron Devices Vol.31 No.4Aug.2008 Study T echnology of Maximum Pow er Point T racker on the Solar Cell 3 YA N G Fan 3 ,P EN G Hong 2w ei ,H U W ei 2bi n g ,L I Guo 2pi ng ,J I A N G Yan (College of Elect ronic and I nf ormation Engineering ,W uhan I nstit ute of Technology ,W uhan 430073,Chi na ) Abstract :Outp ut characteristic of t he solar battery in p hotovoltaic power 2generation system and t he princi 2ple of Maximum Power Point Tracker are int roduced.Bot h t he merit s and flaws of several t racing met hods in common usage are analysed.The emp hasis of t he st udy is Maximum Power Point Tracker based on quadratic interpolation.A system is designed to ascertain t he maximum power outp ut (M PO ),which is based on regular empirical approach and t he quadratic interpolation.The result of t he test indicates t hat t he M PO of solar battery can be ascertained very soon in t he quadratic interpolation.K ey w ords :solar cell ;quadratic interpolation ;Maximum Power Point Tracker EEACC :8250 太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨 3 杨 帆3,彭宏伟,胡为兵,李国平,姜 燕 (武汉工程大学电气信息学院,武汉430074) 收稿日期:2007208220 基金项目:湖北省教育厅基金资助(20060271)作者简介:杨 帆(19662),女,硕士,硕士生导师,教授,主要研究方向为智能仪器与测控技术,yangfan188@https://www.doczj.com/doc/8a1026733.html,. 摘 要:介绍了光伏发电系统太阳能电池的输出特性及最大功率点跟踪技术的基本原理。分析了多种常用的跟踪方法的优 缺点。重点研究了二次插值法的最大功率点跟踪技术。并设计了一个系统,应用常规实验方法及二次插值法寻找太阳能电池的最大输出功率,试验结果表明二次插值法能快速寻找太阳能电池的最大输出功率。 关键词:太阳能电池;二次插值;最大功率点跟踪 中图分类号:TP331 文献标识码:A 文章编号:100529490(2008)0421081204 太阳能作为绿色能源,具有无污染,无噪音,取之不尽,用之不竭等优点,越来越受到人们的关注。由于光伏系统目前的主要问题是电池的转换效率低且价格昂贵,因此,如何进一步提高太阳能电池的转换效率,如何充分利用光伏阵列转换的能量,一直是光伏发电系统研究的重要方向。太阳能光伏发电系统的最大功率点跟踪控制M PP T (Maximum Power Point Tracker )就是其中一个重要的研究课题。 最大功率点跟踪是太阳能并网发电中的一项重要的关键技术,它是指,为充分利用太阳能,控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法,使阵列始终工作在最大功率点上,根据太阳能电池的特性,目前实现的跟踪方法主要有以下三种:太阳追踪、最大功率点跟踪或两种方法综合使用。出于经 济方面的考虑,在小规模的系统中经常使用最大功率点跟踪的方法[1]。M PP T 能使太阳能电池阵列的输出功率增加约15%～36%。 1 太阳能电池的伏安特性分析 太阳能电池的伏安(p 2u )特性如图1所示,图1(a )为温度变化时的p 2u 特性曲线,图1(b )是日照强度变化时的p 2u 特性曲线。从图可以看出太阳能电池具有明显的非线性。太阳能电池的输出受日照强度、电池结温等因素的影响。当结温增加时,太阳能电池的开路电压下降,短路电流稍有增加,最大输出功率减小;当日照强度增加时,太阳能电池的开路电压变化不大,短路电流增加,最大输出功率增加。在一定的温度和日照强度下,太阳能电池具有唯一
风力发电机控制原理 本文综述了风力发电机组的电气控制。在介绍风力涡轮机特性的基础上介绍了双馈异步发电系统和永磁同步全馈发电系统，具体介绍了双馈异步发电系统的运行过程，最后简单介绍了风力发电系统的一些辅助控制系统。 关键词：风力涡轮机；双馈异步；永磁同步发电系统 概述： 经过20年的发展风力发电系统已经从基本单一的定桨距失速控制发展到全桨叶变距和变速恒频控制，目前主要的两种控制方式是：双馈异步变桨变速恒频控制方式和低速永磁同步变桨变速恒频控制方式。 在讲述风力发电控制系统之前，我们需要了解风力涡轮机输出功率与风速和转速的关系。 风力涡轮机特性： 1，风能利用系数Cp 风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示： P---风力涡轮实际获得的轴功率 r---空气密度 S---风轮的扫风面积 V---上游风速 根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。 2，叶尖速比l 为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。 n---风轮的转速 w---风轮叫角频率 R---风轮半径 V---上游风速 在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。
涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。 3，变速发电的控制 变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。 三段控制要求： 低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。 中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达到额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。 高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。 ４，双馈异步风力发电控制系统 双馈异步风力发电系统的示意见图４，绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限ＩＧＢＴ电压型交－直－交变频器接电网。 转子电压和频率比例于电机转差率，随着转速变化而变化，变频器把转差频率的转差功率变为恒压、恒频（５０ＨＺ）的转差功率，送至电网。由图４可知： Ｐ＝ＰＳ－ＰＲ；ＰＲ＝ＳＰＳ；Ｐ＝（１－Ｓ）ＰＳ Ｐ是送至电网总功率；ＰＳ和ＰＲ分别是定子和转子功率 转速高于同步速时，转差率Ｓ＜０，转差功率流出转子，经变频器送至电网，电网收到的功率为定、转子功率之和，大于定子功率；转速低于同步转速食，Ｓ＞０，转差功率从电网，
永磁同步电机控制系统仿真模型的建立与 实现
电机的控制 本文设计的电机效率特性如图 转矩(Nm) 转速(rpm) 异步电机效率特性 PMSM 电机效率特性 本文设计的电动汽车电机采用SVPWM 控制技术是一种先进的控制技术，它是以“磁链跟踪控制”为目标，能明显减少逆变器输出电流的谐波成份及电机的谐波损耗，能有效降低脉动转矩，适用于各种交流电动机调速，有替代传统SPWM 的趋势[2]。 基于上述原因，本文结合0=d i 和SVPWM 控制技术设计PMSM 双闭环PI 调速控制。其中，内环为电流环[3]，外环为速度环，根据经典的PID 控制设计理论，将内环按典型Ⅰ系统，外环按典型Ⅱ系统设计PI 控制器参数[4]。 1. PMSM 控制系统总模型 首先给出PMSM 的交流伺服系统矢量控制框图。忽略粘性阻尼系数的影响， PMSM 的状态方程可表示为 ??????????-+????????????????????----=??????????J T L u L u i i P J P L R P P L R i i L q d m q d f n f n m n m n m q d ///002/30//ωψψωωω& && (1) 将0=d i 带入上式，有 ???? ??????-+??????????? ??? ??--=????? ?????J T L u L u i J P P L R P i i L q d m q f n f n m n m q d ///02/3/0ωψψωω& && (2) 转 矩 (N m )转速 (n /(m i n )) 效率 转速 (rpm) 转矩 (N m )
光伏电池及其最大功率点跟踪 1光伏电池 1.1 光伏电池简介 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能即时转化为电能的器件。当太阳光照在半导体p-n结上，由于吸收了光子的能量，会形成电子--空穴对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，这使得相应区域的主载流子的浓度在靠近p-n结部分增加，而这种局部浓度的增加必然使得主载流子朝着外部接触面的方向扩散，导致外部端子上产生电压，接通电路后就形成电流。单体的单晶硅光伏电池的输出电压在标准照度下只有0.5V左右，常见的单体电池输出功率一般在1W左右，一般不能直接作为电源使用。单体电池除了容量小以外，其机械强度也较差。因此在实际应用中，将若干光伏电池单体串并联并封装起来成为有比较大的输出功率（几瓦到几百瓦不等）的太阳能电池组件。光伏电池组件再经过串并联就形成了光伏电池阵列，可以作为大型光伏并网逆变器的功率输入。
图2.1 太阳能电池单体、组件、方阵示意图 1.2 光伏电池数学模型 光伏电池的数学模型[12]可以由图2.2所示的单二极管等效电路[13]来描述。 图中L R 为光伏电池的外接负载，负载电压为L U ，负载电流为L I 。s R 和sh R 为光伏电池内阻。s R 为串联电阻，通常阻值较小，取决于体电阻、接触电阻、扩散电阻以及电极电阻等；sh R 为旁路电阻，一般阻值较大，取决于电池表面污染和半导体晶体缺陷引起的边缘漏电以及耗尽层内的复合电流等。VD I 为通过p-n 结的总扩散电流。sc I 代表光子在光伏电池中激发的电流，取决于辐照度、电池面积和本体温度T 。
L I L 图2.2 光伏电池的单二极管等效电路 )1(0-=AKT qE D VD e I I (2.1) 式中0D I 为光伏电池在无光照时的饱和电流。 旁路电阻两端电压s L L sh R I U U +=，流过旁路电阻的电流为 ()sh s L L sh R R I U I /+=。 由以上各式可得负载电流为： sh s L L AKT R I U q D sc L R R I U e I I I s L L +-???? ??--=+1) (0 (2.2) 一般s R 很小，sh R 很大，可以忽略不计。可得理想光伏电池特性： )1(0--=AKT qU D sc L L e I I I (2.3) 由式2.3可得 ??? ? ??+-=1ln 0D L sc L I I I q AKT U (2.4)
1．课题背景及意义 1.1课题研究背景、目的及意义 近年来，随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术有了长足的进步，交流伺服系统将逐步取代直流伺服系统，借助于计算机技术、现代控制理论的发展，人们可以构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，己经由交流电力传动取代液压和直流传动[1][2]。 二十世纪八十年代以来，随着价格低廉的钕铁硼(REFEB)永磁材料的出现，使永磁同步电机得到了很大的发展，世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电机及其伺服控制器的热潮，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，永磁同步电机伺服系统是主要的发展趋势。永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善[3]。以往同步电机的概念和应用范围己被当今的永磁同步电机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。 由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用[4][5]。 尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展，各种控制技术的应用 - 1 -
如何利用分布式最大功率点跟踪系统提高光伏系统效率 太阳能是市场上最有前景的可再生能源之一。由于政府推出激励政策和传统电力成本不断攀升的影响，越来越多的家庭开始转向太阳能，并在屋顶安装光伏（PV）系统。按照目前的光伏系统价格计算，用户通常在 7-8 年后才能获得投资回报。政府激励政策和光伏系统的使用寿命必须能持续 20 年或更久。太阳能光伏系统的投资回报取决于该系统每年的发电量，因此用户需要的光伏系统必须具备高效、可靠和易于维护等特性，从而可以获得最大限度的发电量。 如今，很多安装太阳能光伏系统的用户已经意识到部分或间歇性的遮蔽会影响到系统的发电量。 部分阴影遮蔽对太阳能光伏系统的影响： 当树木、烟囱或其他物体投射的阴影遮挡住光伏系统时，就会导致系统造成“失配”问题。即使光伏系统只受到一点点阴影的遮挡都会导致发电量的大幅下跌。部分遮蔽导致的系统失配对发电量的实际影响很难通过简单的计算公式获得。因为影响系统发电量的因素很多，包括内部电池模块间互连、模块定向、光伏电池组间的串并联问题以及逆变器的配置等。光伏模块通过多个电池串相互连接而成，每个电池串被称为一个“组列”。每个组列由一个旁路二极管来保护，以免一个或多个电池被遮蔽或损坏时导致整个电池串因为过热而受到损坏。这些串联或并联的电池组列能够使电池板产生相对较高的电压或电流。本文来自环球光伏网 光伏阵列由串联在一起的光伏模块通过并联构成。每串光伏模块的的最大电压必须低于逆变器的最大输入电压额定值。 当光伏系统部分被遮蔽时，未被遮蔽的电池中的电流流经被遮蔽部分的旁路二极管。 当光伏阵列受到遮蔽而出现上述情况时，会产生一条具有多个峰值的 V-P 电气曲线。图 1 显示了具有集中式最大功率点跟踪系统( MPPT) 功能的标准并网配置，其中一个组列的两个电池板被遮蔽。集中式 MPPT无法设置直流电压，因此无法令两个组列的输出功率都达到最大。在高直流电压点 (M1)，MPPT 使未遮蔽组列的输出功率达到最大。在低直流电压点 (M2)，MPPT 将使遮蔽组列的输出功率达到最大：旁路二极管绕过遮蔽电池板，此组列的未遮蔽电池板将提供全量电流。阵列的多个 MPP 可能导致集中最大功率点跟踪（MPPT）配
贝加莱风力发电控制系统 2009-05-18 09:24 1、蓬勃发展的风电技术 风力发电正在中国蓬勃发展，即使在金融危机的大形势下，风力发电行业仍然不断的加大投资。在2008年，风力发电仍然保持着30%以上的强劲增长势头，包括Vestas、Gemsa、GE、国内的金风科技、华锐、运达工程等其订单交付已经到2011年后。 国内的风力发电控制技术起步较晚，目前的控制系统均是由欧洲专用控制方案提供商提供的专用系统，价格高昂且交货周期较长。开发自主知识产权的控制系统必须要提上日程，一方面，由于缺乏差异化而使得未来竞争中的透明度过高，而造成陷入激烈的价格竞争，另一方面，寻找合适的平台开发自主的风电控制系统将使得制造商在未来激烈竞争中获得先手。 然而，风电控制系统必须满足风电行业特殊的需求和苛刻的指标要求，这一切都对风力发电的控制系统平台提出了要求，而B&R的控制系统，在软硬件上均提供了适应于风力发电行业需求的设计，在本文我们将介绍因何这些控制器能够满足风力发电的苛刻要求。 2、风力发电对控制系统的需求 2.1高级语言编程能力 由于功率控制涉及到风速变化、最佳叶尖速比的获取、机组输出功率、相位和功率因素，发电机组的转速等诸多因素的影响，因此，它包含了复杂的控制算法设计需求，而这些，对于控制器的高级语言编程能力有较高的要求，而B&R PCC产品提供了高级语言编程能力，不仅仅是这些，还包括了以下一些关键技术： 2.1.1复杂控制算法设计能力 传统的机器控制多为顺序逻辑控制，而随着传感器技术、数字技术和通信技术的发展，复杂控制将越来越多的应用于机器，而机器控制本身即是融合了逻辑、运动、传感器、高速计数、安全、液压等一系列复杂控制的应用，PCC的设计者们很早就注意到这个发展方向而设计了PCC 产品来满足这一未来的需求。 为了满足这种需求，PCC设计为基于Automation Runtime的实时操作系统（OS）上，支持高级语言编程，对于风力发电而言，变桨、主控逻辑、功率控制单元等的算法非常复杂，这需要一个强大的控制器来实现对其高效的程序设计，并且，代码安全必须事先考虑，以维护在研发领域的投资安全。 2.1.2功能块调用 PCC支持PLCopen Motion、PLCopen Safety和PLCopenHydraulic库
基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统 1 引言 永磁同步电动机由于自身结构的优点，再加上近年来永磁材料的发展，以及电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的应用越来越广泛。而对于凸极式永磁同步电动机，由于具有更高的功率密度和更好的动态性能，在实际应用中越来越受到人们的重视[1]。 高性能的永磁同步电动机控制系统主要采用的矢量控制。交流电机的矢量控制由德国学者blaschke在1971年提出，从而在理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，但很快被移植到同步电机。事实上，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。因为该类电机在矢量控制过程中不存在感应电机中的转差频率电流而且控制受参数(主要是转子参数)的影响也小。 永磁同步电动机的矢量控制从本质上讲，就是对定子电流在转子旋转坐标系(dq0坐标系)中的两个分量的控制。因为电机电磁转矩的大小取决于上述的两个定子电流分量。对于给定的输出转矩，可以有多个不同的d、q轴电流的控制组合。不同的组合将影响系统的效率、功率因数、电机端电压以及转矩输出能力，由此形成了各种永磁同步电动机的电流控制方法。[2]针对凸极式永磁同步
电动机的特点，本文采用最优转矩控制(mtpa)，并用一种更符合实际应用的方法进行实现，并进行了仿真验证。
图1 电流id、iq和转矩te关系曲线 2 永磁同步电动机的数学模型 首先，需要建立永磁同步电动机在转子旋转dq0坐标系下的数学模型，这种模型不仅可用于分析电机的稳态运行性能，还可以用于分析电机的暂态性能。 为建立永磁同步电机的dq0轴系数学模型，首先假设： (1)忽略电动机铁芯的饱和； (2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗； (3)转子上没有阻尼绕组； (4)电动机的反电动势是正弦的。 这样，就得到永磁同步电动机dq0轴系下数学模型的电压、磁链和电磁转矩方程，分别如下所示：
永磁同步风力发电系统的系统基本组成、工作原理、控制 模式论述 1.系统的基本组成： 直驱式同步风力发电系统主要采用如下结构组成：风力机（这里概括为：叶片、轮毂、导航罩）、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。其中全功率变流器又可分为发电机侧整流器、直流环节和电网侧逆变器。就空间位置而言，变流器和风机总控系统一般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。 2.工作原理： 系统中能量传递和转换路径为：风力机把捕获的流动空气的动能转换为机械能，直驱系统中的永磁同步发电机把风力机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化而变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电网同步的可控电能并馈入电网，从而最终实现直驱系统的发电并网控制。 3.控制模式： 风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。它不仅要监视电网、风况和机组运行参数，对机组运行进行控制。而且还要根据风速与风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电量。 风力发电控制系统的基本目标分为三个层次： 分别为保证风力发电机组安全可靠运行，获取最大能量，提供良好的电力质量。 控制系统主要包括各种传感器、变距系统、运行主控制器、功率输出单元、无功补偿单元、并网控制单元、安全保护单元、通讯接口电路、监控单元。 具体控制内容有：信号的数据采集、处理，变桨控制、转速控制、自动最大功率点跟踪控制、功率因数控制、偏航控制、自动解缆、并网和解列控制、停机制动控制、安全保护系统、就地监控、远程监控。
一、系统运行时控制： 1、偏航系统控制： 偏航系统的控制包括三个方面：自动对风、自动解缆和风轮保护。 1)自动对风 正常运行时偏航控制系统自动对风，即当机舱偏离风向一定角度时，控制系统发出向左或向右调向的指令，机舱开始对风，当达到允许的误差范围内时，自动对风停止。 2)自动解缆 当机舱向同一方向累计偏转2~3圈后，若此时风速小于风电机组启动风速且无功率输出，则停机，控制系统使机舱反方向旋转2~3圈解绕；若此时机组有功率输出，则暂不自动解绕；若机舱继续向同一方向偏转累计达3圈时，则控制停机，解绕；若因故障自动解绕未成功，在扭缆达4圈时，扭缆机械开关将动作，此时报告扭缆故障，自动停机，等待人工解缆操作。3)风轮保护 当产生特大强风时，停机并释放叶尖阻尼板，桨距调到最大，偏航90°背风，以保护风轮免受损坏。 2、变桨距系统控制 变桨系统的控制包括三个方面：启动状态（转速控制）、欠功率状态（不控制）和额定功率状态（功率控制）。 1)起动状态 桨叶在静止时，节距角为90°，这时气流对桨叶不产生转矩，整个桨叶实际上是一块阻尼板。当风速达到启动风速时，桨叶向0°方向转动，知道气流对桨叶产生一定的攻角，风轮开始起动。在发电机并入电网以前，变桨距系统的节距给定值由发电机转速信号控制。转速控制器按照一定的速度上升斜率给出速度参考值。为确保并网平稳，对电网产生的冲击尽可能小，变桨距系统可以在一定时间内，保持发电机的转速在同步转速附近。 2)欠功率状态 当风速低于额定风速时，发电机在额定功率以下工作，此时变桨距系统不加控制，节距角为0，以实现最大功率跟踪。 3)额定功率状态 当风速达到或超过额定风速后，风力发电机进入额定功率状态。变桨距系统根据发电机的功率信号进行控制。 3、机侧变流器的控制 永磁同步发电机侧变流器的控制目标是： 1)将永磁同步发电机发出的频率和电压幅值变化无序的交流电整流成直流电 2)控制风力机转速，实现最大风能捕获 3)控制与永磁同步发电机间的无功交换。 4、网侧变流器的控制 网侧变流器可以工作在整流和逆变状态，一般情况下在单位功率因数逆变运行。此时，能量由直流侧流向电源，且无功功率为零。 网侧逆变器控制目标是： 1)将直流电逆变为与电网频率、幅值相同的交流电，保证电网侧电流正弦，减少谐波对电网的污染并维持直流侧电压恒定，提高发电效率。
基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真 随着电动机在社会生产中的广泛应用，由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用。我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富，稀土资占全世界的80％以上，发展永磁电机具有广阔的前景。 第一章永磁同步电机的矢量控制原理 1.1 永磁同步电机控制中应用的坐标系 交流电机的数学模型具有高阶次，多变量耦合，非线性等特征，难以直接应用于系统的设计和控制，与直流电机单变量，自然解耦和线性的数学模型相比较，交流电机显得异常复杂。因此需要通过适当的转换，将交流电机的控制变换为类似直流电机的控制将大大简化交流电机控制的复杂程度。 永磁同步电机矢量控制的基本思想是把交流电机当成直流电机来控制，即模拟直流电机的控制特点进行永磁同步电机的控制。为简化感应电机模型，可将电机三相绕组电流产生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和分解，使得能够用两相正交绕组来等效实际电动机的三相绕组。由于两相绕组的正交性，变量之间的耦合大大减小。 1.1.1系统中的坐标系 1)三相定子坐标系(U-V-W坐标系) 其中三相交流电机绕组轴线分别为U、V、W，彼此之间互差120度空间电角度，构成了一个U-V-W三相坐标系。空间任意一矢量在三个坐标上的投影代表了该矢量在三个绕组上的分量。 2)两相定子坐标系(α-β坐标系) 两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即α-β坐标系。它的轴α和三相定子坐标系的A轴重合，β轴逆时针超
永磁同步风力发电机的原理和应用 我国风能资源丰富，可开发的风能潜力巨大。根据有关资料，我国陆地风能资源可开发量23.8亿千瓦，海上风能资源可开发量约2亿千瓦。我国风能资源比较集中，“三北”地区（华北、东北和西北）以及东南沿海地区、沿海岛屿潜在风能资源开发量约占全国的80%。风能资源与煤炭资源的地理分布具有较高的重合度，与电力负荷则呈逆向分布。 近日，一款拥有自主知识产权，最大功率为2.5MW的高速永磁同步风力发电机在南车株洲电机有限公司成功下线。该发电机具有效率高、体积小、结构紧凑、成本低、可靠性高、维护量小等诸多优点，采用全功率变流控制，使机组具有良好的低电压穿越性能；该发电机与直驱型永磁同步风力发电机相比，体积大大减小、重量大大减轻，特别是磁钢用量大大减少，在稀土价格居高不下的今天，该产品的高性价比优势更加突出，具有很好的市场前景。该发电机的成功研制标志着我国企业已具备自主研发具有国际先进水平高速永磁同步风力发电机的能力。 “十二五”时期，我国风电装机容量占发电总容量比例将进一步加大，出于电网安全考虑，风电机组必须在“低电压穿越”保障下“御风而行”。据中国国家发改委能源研究所有关人士透露，2020年陆地风电的成本将与煤电持平，之后风电将逐步脱离国家补贴，“降低成本”也成为风电行业未来发展面临的新的“瓶颈”。南车株洲电机有限公司成功推出2.5MW高速永磁同步风力发电机，实现了发电机低成本制造，使机组极易实现低电压穿越，在国内处于技术领先水平。 永磁同步风力发电机由于机械损耗小、运行效率高、维护成本低等优点成为继双馈感应风电机组之后的又一重要风力发电机型受到广泛关注，并逐渐
关于1.5KW永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制，采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速，为防止失步，采用自控方式，利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率，同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流 电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。
原理框图如下： 基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park 变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM的控制信