專利名稱：混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤與母線電壓協(xié)調(diào)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新能源發(fā)電技術(shù)，特別是一種應(yīng)用于混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最 大功率跟蹤與母線電壓協(xié)調(diào)控制方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行可靠，能最大限度地捕捉風(fēng)能，滿足 寬速度范圍的高效率運(yùn)行。為了最大限度地捕捉風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)常采用最大功率 跟蹤控制。根據(jù)風(fēng)力機(jī)特性，在某一風(fēng)速下，使得發(fā)電機(jī)運(yùn)行于某一轉(zhuǎn)速，從而最大 限度地捕獲風(fēng)能，輸出最大功率。目前，典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有異步雙饋風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)和永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法與發(fā)電機(jī)密切相關(guān)。異步雙饋發(fā)電機(jī)通過(guò) PWM整流器控制轉(zhuǎn)差頻率實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，其控制系統(tǒng)功率等于轉(zhuǎn)差功率，系統(tǒng) 成本低；永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)PWM整流器或DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)最大功率跟 蹤，風(fēng)能捕捉范圍大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可靠性、功率密度、功率因數(shù)和效率高。
由于異步發(fā)電機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)不可控，因此兩種最大功率跟蹤控制方 法都是通過(guò)改變母線電流來(lái)改變負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使得發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 轉(zhuǎn)速。但PWM整流器的開(kāi)關(guān)器件多，器件損耗大，控制復(fù)雜，而且風(fēng)能捕捉范圍越 大，系統(tǒng)成本越高。DC-DC變換器不僅容量與系統(tǒng)額定容量相當(dāng)，系統(tǒng)成本高；而 且需要大容量電容、電感，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、可靠性低。為此，各大研發(fā)機(jī)構(gòu)正在積極開(kāi) 展新型發(fā)電機(jī)及風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研發(fā)。
混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)作為一種具有磁場(chǎng)控制能力的新型電機(jī)，已成為國(guó)內(nèi)外研發(fā)的熱 點(diǎn)?；旌蟿?lì)磁發(fā)電機(jī)集電勵(lì)磁同步發(fā)電與永磁同步發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)于一體，其氣隙磁場(chǎng)由 永磁體和電勵(lì)磁共同產(chǎn)生，因此磁場(chǎng)大小方便可調(diào)；它為最大功率跟蹤控制方法的實(shí)
現(xiàn)提供了另外一種途徑。
為了既能最大限度地捕捉風(fēng)能，又能提高系統(tǒng)的控制效率、降低成本，開(kāi)發(fā)一種 適用于混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制方法具有重要的理論意義和實(shí)用 價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種風(fēng)能捕捉范圍大、成本低、算法簡(jiǎn)單、實(shí)用有效的混 合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤與母線電壓協(xié)調(diào)控制方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是提出一種基于可控勵(lì)磁電流的混合勵(lì)磁風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤與母線電壓協(xié)調(diào)控制方法。通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)氣隙 磁場(chǎng)的大小、實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)平滑可調(diào)；在風(fēng)速變化時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，在維持發(fā)電機(jī) 系統(tǒng)母線電壓不變的同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤；勵(lì)磁電流的控制通過(guò)小功率的勵(lì)磁控制 器實(shí)現(xiàn)，避免在主回路中使用價(jià)格昂貴、體積龐大的PWM整流器或DC-DC變換器。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案 1. 一種混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤與母線電壓協(xié)調(diào)控制方法，其特征在
于程序步驟如下
(1) 根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的風(fēng)速v，結(jié)合發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)輸出功率的關(guān)系表，
通過(guò)査表得到對(duì)應(yīng)檢測(cè)的風(fēng)速V下，跟蹤最大功率的發(fā)電機(jī)指令轉(zhuǎn)速6/ ;
(2) 將檢測(cè)的發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速W滅與指令轉(zhuǎn)速^相比較，其差值A(chǔ)w二6^k -^/通
過(guò)比例積分運(yùn)算I，得到勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)分量A/fd ;比例積分運(yùn)算I通過(guò)下式實(shí)
現(xiàn)
其中，i^p為轉(zhuǎn)速比例系數(shù)，《M為轉(zhuǎn)速積分系數(shù)；
(3) 根據(jù)檢測(cè)的發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速fi^k、母線電壓t/d。和母線電流/d。，通過(guò)穩(wěn)態(tài)勵(lì) 磁電流的計(jì)算，得到勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)分量/fs;穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流的計(jì)算通過(guò)下式實(shí)
現(xiàn)
<formula>formula see original document page 5</formula>其中
<formula>formula see original document page 5</formula>;ih—d為空載合成氣隙磁鏈，；ipM為永磁磁鏈，M,f為電勵(lì)磁和定子d軸電樞 的互感，5為功率角，厶為相電流有效值，^為相電壓有效值，義d為直軸 同步電抗，^q為交軸同步電抗，^為電樞繞組電阻，《u、 ^分別為不可
控整流的電壓、電流系數(shù)，其值與電機(jī)繞組連接方式及相數(shù)有關(guān)；
(4) 根據(jù)步驟(2)得到的勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)分量A/fd和步驟(3)得到的勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)分
量4進(jìn)行合成勵(lì)磁電流的計(jì)算，得到合成勵(lì)磁電流/;;合成勵(lì)磁電流的計(jì)算 通過(guò)下式實(shí)現(xiàn)
/;=A/fd + /fs
(5) 將步驟(4)得到的合成勵(lì)磁電流/;與檢測(cè)的勵(lì)磁電流/f)k相比較，其差值
A/f =/f'-/f,經(jīng)過(guò)比例積分運(yùn)算n，得到勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電壓C/f;比例積分
運(yùn)算II通過(guò)下式實(shí)現(xiàn)
其中，Ap為勵(lì)磁電流比例系數(shù)，《n為勵(lì)磁電流積分系數(shù)；
(6) 將步驟(5)得到的勵(lì)磁電壓C/f經(jīng)過(guò)占空比的計(jì)算，得到PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)
勵(lì)磁控制器的全橋變換器，實(shí)現(xiàn)混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤與母 線電壓的協(xié)調(diào)控制；占空比的計(jì)算通過(guò)下式實(shí)現(xiàn)
[/f =!五--2!L五二 2!_1
其中，/9為占空比，^為開(kāi)通時(shí)間，r為開(kāi)關(guān)周期，五為直流電源電壓。
基于可控勵(lì)磁電流的混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤與母線電壓協(xié)調(diào)控制
原理如下
對(duì)于給定的風(fēng)力機(jī)特性以及風(fēng)場(chǎng)信息，能建立風(fēng)力機(jī)輸出功率與風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 速的關(guān)系表。圖2給出風(fēng)力機(jī)輸出功率與風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線圖。從該曲線
圖可知，風(fēng)力機(jī)輸出的最大機(jī)械功率隨著風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化；在某一風(fēng)速
下，有唯一的發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)最大的功率輸出。在風(fēng)速一定時(shí)，依據(jù)風(fēng)力機(jī)特 性，確定混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)跟蹤最大功率所需的轉(zhuǎn)速，與實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較，通過(guò)比例積分運(yùn)算，得到勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)分量；根據(jù)檢測(cè)的發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、母線電壓和母線電流， 通過(guò)穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流的計(jì)算，得到勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)分量。通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)的合成勵(lì)磁電流 實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤與母線電壓的協(xié)調(diào)控制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見(jiàn)的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
1) 通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流有效地控制發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)，并且直流母線電壓諧波小。
2) 由于需要調(diào)節(jié)的是勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，不需要在主回路中使用大容量的 DC-DC變換器，故磁場(chǎng)控制能效高、勵(lì)磁控制器容量小、成本低、可靠性高。
3) 與母線電壓相關(guān)的勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)分量通過(guò)前饋直接控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，減小 了因風(fēng)速突變導(dǎo)致母線電壓的劇烈波動(dòng)。
4) 通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤與母線電壓的協(xié)調(diào)控制。算法簡(jiǎn)單實(shí)用， 便于實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的最大功率跟蹤與母線電壓協(xié)調(diào)控制流程圖 圖2是風(fēng)力機(jī)輸出功率與風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線圖 圖3是圖1實(shí)施例應(yīng)用的混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖4是圖3中勵(lì)磁控制器的結(jié)構(gòu)示意圖 具體實(shí)施方法
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明
圖3為本實(shí)施例應(yīng)用的混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī) (1)、多相混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(2)、不可控整流橋(3)、逆變器(4)、勵(lì)磁控制器(5)、電網(wǎng)側(cè) 逆變器控制模塊(6)、電抗器(7)和電容(8)組成。多相混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(2)將風(fēng)力機(jī)(1) 吸收的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)不可控整流橋(3)、逆變器(4)、電抗器(7)將電能輸送 至電網(wǎng)。電網(wǎng)側(cè)逆變器控制模塊(6)通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)的電壓、電流，控制逆變器(4)， 實(shí)現(xiàn)功率傳遞。勵(lì)磁控制器(5)由控制單元(9)和主電路(10)組成。控制單元(9)包括高 速數(shù)字信號(hào)處理芯片、PWM驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、AD轉(zhuǎn)換單元。主電路(10)是包括 電源、電容(d和C2)、 IGBT(開(kāi)關(guān)器件VT廣VT4)和二極管(D廣D4)的全橋變換器，其 結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。在高速數(shù)字信號(hào)處理芯片中對(duì)檢測(cè)的母線電流、母線電壓、 風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算勵(lì)磁繞組電壓的占空比，通過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)單元 控制主電路(IO)，從而實(shí)現(xiàn)小功率容量的勵(lì)磁控制。
參見(jiàn)圖1，混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤與母線電壓協(xié)調(diào)控制方法通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤與母線電壓協(xié)調(diào)控制。勵(lì)磁電流包括兩部分動(dòng)態(tài)分 量和穩(wěn)態(tài)分量。具體實(shí)施步驟如下
(1) 根據(jù)風(fēng)速傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的風(fēng)速，結(jié)合發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)輸出功率 的關(guān)系表，通過(guò)査表得到對(duì)應(yīng)檢測(cè)的風(fēng)速下，跟蹤最大功率的發(fā)電機(jī)指令轉(zhuǎn)
速fi/。與該關(guān)系表對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)輸出功率的關(guān)系曲線圖 如圖2所示。
(2) 通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速c^k,與指令轉(zhuǎn)速fl/相比較，其差值 △w-fi^k-fi/通過(guò)比例積分運(yùn)算I，得到勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)分量A/fd。通過(guò)調(diào)節(jié) 勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)分量A/fd控制轉(zhuǎn)速。比例積分運(yùn)算I通過(guò)下式實(shí)現(xiàn)
A/fd^柳承A針i^—dt
其中，《^為轉(zhuǎn)速比例系數(shù)，《^為轉(zhuǎn)速積分系數(shù)
(3) 通過(guò)電壓傳感器、電流傳感器檢測(cè)母線電壓C/d。和母線電流/d。，并結(jié)合發(fā)電
機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速A,k 、電機(jī)參數(shù)(;ipM 、 Maf 、 id 、 iq 、 a)及不可控整流系數(shù)(《u 、
《》通過(guò)穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流的計(jì)算，得到勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)分量4。通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁
電流穩(wěn)態(tài)分量/f,維持母線電壓基本不變。穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流的計(jì)算通過(guò)下式實(shí) 現(xiàn)
<formula>formula see original document page 8</formula>
入一d為空載合成氣隙磁鏈，；ipM為永磁磁鏈，M。f為電勵(lì)磁和定子d軸電樞
的互感，^為功率角，^為相電流有效值，C^為相電壓有效值，Xd為直軸
同步電抗，Zq為交軸同步電抗，a為電樞繞組電阻，^u、 a分別為不可 控整流的電壓、電流系數(shù)，其值與電機(jī)繞組連接方式及相數(shù)有關(guān)。(4) 根據(jù)步驟(2)得到的勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)分量A/fd和步驟(3)得到的勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)分
量4進(jìn)行合成勵(lì)磁電流的計(jì)算，得到合成勵(lì)磁電流/f'。合成勵(lì)磁電流的計(jì)算 通過(guò)下式實(shí)現(xiàn)
/;=A/fd+/fs
(5) 通過(guò)電流傳感器檢測(cè)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，將步驟(4)得到的合成勵(lì)磁電流/f'與 檢測(cè)的勵(lì)磁電流/f)k相比較，其差值A(chǔ)/f =/f'-/f,經(jīng)過(guò)比例積分運(yùn)算II， 得到勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電壓t/f 。比例積分運(yùn)算II通過(guò)下式實(shí)現(xiàn)
其中，尺tp為勵(lì)磁電流比例系數(shù)，《n為勵(lì)磁電流積分系數(shù)
(6) 將步驟(5)得到的勵(lì)磁電壓t/f經(jīng)過(guò)占空比的計(jì)算，得到PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)
勵(lì)磁控制器的全橋變換器，實(shí)現(xiàn)混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤與母 線電壓的協(xié)調(diào)控制。占空比的計(jì)算通過(guò)下式實(shí)現(xiàn)
其中，/ 為占空比，、為開(kāi)通時(shí)間，r為開(kāi)關(guān)周期，￡為直流電源電壓(
權(quán)利要求
1.一種混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤與母線電壓協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于程序步驟如下(1)根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的風(fēng)速v，結(jié)合發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)輸出功率的關(guān)系表，通過(guò)查表得到對(duì)應(yīng)檢測(cè)的風(fēng)速v下，跟蹤最大功率的發(fā)電機(jī)指令轉(zhuǎn)速ω*；(2)將檢測(cè)的發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ωbak與指令轉(zhuǎn)速ω*相比較，其差值Δω＝ωbak-ω*通過(guò)比例積分運(yùn)算I，得到勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)分量ΔIfd；比例積分運(yùn)算I通過(guò)下式實(shí)現(xiàn)ΔIfd＝KNP*Δω+KNI*∫Δωdt其中，KNP為轉(zhuǎn)速比例系數(shù)，KNI為轉(zhuǎn)速積分系數(shù)；(3)根據(jù)檢測(cè)的發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ωbak、母線電壓Udc和母線電流Idc，通過(guò)穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流的計(jì)算，得到勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)分量Ifs；穩(wěn)態(tài)勵(lì)磁電流的計(jì)算通過(guò)下式實(shí)現(xiàn)其中λhybrid為空載合成氣隙磁鏈，λPM為永磁磁鏈，Maf為電勵(lì)磁和定子d軸電樞的互感，δ為功率角，IS為相電流有效值，US為相電壓有效值，Xd為直軸同步電抗，Xq為交軸同步電抗，RS為電樞繞組電阻，KU、KI分別為不可控整流的電壓、電流系數(shù)，其值與電機(jī)繞組連接方式及相數(shù)有關(guān)；(4)根據(jù)步驟(2)得到的勵(lì)磁電流動(dòng)態(tài)分量ΔIfd和步驟(3)得到的勵(lì)磁電流穩(wěn)態(tài)分量Ifs進(jìn)行合成勵(lì)磁電流的計(jì)算，得到合成勵(lì)磁電流；合成勵(lì)磁電流的計(jì)算通過(guò)下式實(shí)現(xiàn)(5)將步驟(4)得到的合成勵(lì)磁電流與檢測(cè)的勵(lì)磁電流If_bak相比較，其差值經(jīng)過(guò)比例積分運(yùn)算II，得到勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電壓Uf；比例積分運(yùn)算II通過(guò)下式實(shí)現(xiàn)Uf＝KIP*ΔIf+KII*∫ΔIfdt其中，KIP為勵(lì)磁電流比例系數(shù)，KII為勵(lì)磁電流積分系數(shù)；(6)將步驟(5)得到的勵(lì)磁電壓Uf經(jīng)過(guò)占空比的計(jì)算，得到PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁控制器的全橋變換器，實(shí)現(xiàn)混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤與母線電壓的協(xié)調(diào)控制；占空比的計(jì)算通過(guò)下式實(shí)現(xiàn)其中，ρ為占空比，ton為開(kāi)通時(shí)間，T為開(kāi)關(guān)周期，E為直流電源電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤與母線電壓協(xié)調(diào)控制方法，該方法通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤與母線電壓的協(xié)調(diào)控制。勵(lì)磁電流由動(dòng)態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量組成。不僅動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，而且算法簡(jiǎn)單實(shí)用，便于實(shí)現(xiàn)。由于需要調(diào)節(jié)的是勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，磁場(chǎng)控制能效高、勵(lì)磁控制器容量小、成本低、可靠性高。
文檔編號(hào)H02P9/14GK101369795SQ20081020081
公開(kāi)日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月7日
發(fā)明者琪 張, 洪文成, 鄒海晏, 黃蘇融 申請(qǐng)人:上海大學(xué)