固纬电子电力电子教学小课堂 | 第三十三讲: PEK-520模块——永磁同步发电机型风电逆变器之最大风能捕获

写在前面的话

随着人们对环保问题越加关注，清洁可再生能源的发展越来越快，其中风能作为地球上蕴藏量丰富、清洁的可再生能源，因其具有较高的开发和环保价值而受到广泛关注。风力发电由两部分组成，即风能转为机械能和机械能转化为电能。前一部分通过风力机完成，将风能转为机械能;后一部分是将风力机转化的机械能进一步转化为电能，由发电机完成。不同的风速，风机都会有一个与之对应的最佳转速，通过控制发电机组在最佳转速下运行实现最大功率输出，是风机最大风能捕获研究的关键。本期将利用PTS-5000模块永磁同步发电机型风电逆变器通过间接转速控制实现最大风能捕获进行实验分析，为老师提供相关实验与教学资源参考。实验模组PEK-520Lab6如图1所示。

图一 PEK-190 PEK-520最大风能捕获实验模组

PEK-520模组介绍：

PEK-520 为永磁同步发电机型风电逆变器(Maximum Power Point Tracking ofWTG)，模组实物照片如图1所示，主要三部分组成，分别为风机驱动器模块，发电机驱动器与永磁同步马达(含PMSM与PMSG)。该模组实验目的是为使用者提供基于DSP控制的电力变换器学习平台，即借助PSIM 软件完成仿真和实验。第一实验者可以在PSIM上建立模拟(连续)仿真电路，以学习电力变换器的原理、分析和功能设计;第二将电力变换器的控制转化去数字(离散)仿真部分，进行仿真研学;第三借助DSP芯片内部所具有的A/D转化器、数据处理和PWM信号生成功能，再次进行数字(离散)仿真;第四通过PSIM之C代码生成功能，将控制部分生成C代码;最后将生成的C代码下载于PEK-510的DSP之中，以备实物实验。这样设计的最大优点方便实验者能够快速完成DSP对变换器主电路的控制。
进行实验除需要PEK-520模组外，仍需配置永磁同步发电机机组、PEK-005A(辅助电源)和 PEK-006 (JTAG 下载器)等，并在PTS-5000的实验平台上完成，PTS-5000的实验平台如图2所示。

PTS-3000 实验平台图2 PTS-5000 的实验平台图

永磁同步发电机型风电系统原理

远程遥控的方式
在永磁同步风力发电系统主要包括风力机、直驱永磁同步发电机、功率变换器。风力机(风机)是捕获风能并将其转化为机械能的重要设备，传动系统将风轮与发电机连接起来，永磁同步发电机将风轮吸收的机械能转为电能，PMSG风力发电控制系统实行电能变换。PMSG风力发电系统如图3所示。

图3 PMSG风力发电系统

永磁同步风力发电机最大风能捕获控制
1.最大风能捕获控制

功率-转速关系曲线如图4。

图4 风电机组的功率-转速关系曲线

图中，V，V2，V3均用于表示风速，且V>vz>V3,0。用于表示发电机转速，P用于表示风轮的输出机械功率;P则用于表示发电机的最佳发电功率，通过连接每条转速-机械功率曲线最佳风轮输出功率点构成最佳发电功率曲线P(w。t)，通过控制机组状态量使得风电机组按照最佳发电功率曲线运行即为最佳风能捕获。

利用估测风机输出功率追踪MPPT曲线可得风机转速命令，控制框图5所示:

图6 发电机系统控制框图

2.PMSG数学模型

图7 dq坐标系永磁发电机的电磁转矩方程为:

发电机传动系统模型为:

3.电压电流双闭环控制策略

通过坐标变换可知，永磁同步发电机dg轴电压存在耦合项，为了便于实施控制，需要进行电压的前馈补偿，对旋转后的电压进行前馈解耦补偿，补偿后得到的控制方式为:

解耦整理得:

利用定子磁链方向定向控制，即设置d轴电流id为0，进而结合输出功率得到式:

其中，kpd、kid、kpq、kiq分别表示dq轴电流内环比例和积分的增益。

图8 电流内环d轴控制框图

图9 电流内环q轴控制框图

图10 永磁同步风力发电机最大风能捕获控制仿真图

图11 实验仿真结果图

图12 风机端功率指令与发电机端输出功率

图13 A相电流与风机转速

实验：

当模块在启动前，系统进行了转子初始位置检测以防止电机反转。通过观察电机驱动器的定子电流和电机转速可知，增加了初始位置检测与启动后PMSM电机能够平滑启动且达到给定转速2000RPM。根据顾客的应用需要，直流电源的设计亦随时代演进衍生出许多特殊功能，这些功应用PTS5000完成最佳风能捕获，其连接线图如图14所示。PSW160-7.2设定电压为130V，电流3A，将PSW电源开启后，依序将PEK520-1开启，最后将PEK520-2开启。能包含:

图14 实验接线图

图15 不同风速下P-N曲线