固緯電子電力電子教學(xué)小課堂 | 第三十三講: PEK-520模塊——永磁同步發(fā)電機型風(fēng)電逆變器之最大風(fēng)能捕獲

寫(xiě)在前面的話(huà)

隨著(zhù)人們對環(huán)保問(wèn)題越加關(guān)注，清潔可再生能源的發(fā)展越來(lái)越快，其中風(fēng)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(kāi)發(fā)和環(huán)保價(jià)值而受到廣泛關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電由兩部分組成，即風(fēng)能轉為機械能和機械能轉化為電能。前一部分通過(guò)風(fēng)力機完成，將風(fēng)能轉為機械能;后一部分是將風(fēng)力機轉化的機械能進(jìn)一步轉化為電能，由發(fā)電機完成。不同的風(fēng)速，風(fēng)機都會(huì )有一個(gè)與之對應的最佳轉速，通過(guò)控制發(fā)電機組在最佳轉速下運行實(shí)現最大功率輸出，是風(fēng)機最大風(fēng)能捕獲研究的關(guān)鍵。本期將利用PTS-5000模塊永磁同步發(fā)電機型風(fēng)電逆變器通過(guò)間接轉速控制實(shí)現最大風(fēng)能捕獲進(jìn)行實(shí)驗分析，為老師提供相關(guān)實(shí)驗與教學(xué)資源參考。實(shí)驗模組PEK-520Lab6如圖1所示。

圖一 PEK-190 PEK-520最大風(fēng)能捕獲實(shí)驗模組

PEK-520模組介紹：

PEK-520 為永磁同步發(fā)電機型風(fēng)電逆變器(Maximum Power Point Tracking ofWTG)，模組實(shí)物照片如圖1所示，主要三部分組成，分別為風(fēng)機驅動(dòng)器模塊，發(fā)電機驅動(dòng)器與永磁同步馬達(含PMSM與PMSG)。該模組實(shí)驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學(xué)習平臺，即借助PSIM 軟件完成仿真和實(shí)驗。第一實(shí)驗者可以在PSIM上建立模擬(連續)仿真電路，以學(xué)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化去數字(離散)仿真部分，進(jìn)行仿真研學(xué);第三借助DSP芯片內部所具有的A/D轉化器、數據處理和PWM信號生成功能，再次進(jìn)行數字(離散)仿真;第四通過(guò)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(shí)物實(shí)驗。這樣設計的最大優(yōu)點(diǎn)方便實(shí)驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。
進(jìn)行實(shí)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(shí)驗平臺上完成，PTS-5000的實(shí)驗平臺如圖2所示。

PTS-3000 實(shí)驗平臺圖2 PTS-5000 的實(shí)驗平臺圖

永磁同步發(fā)電機型風(fēng)電系統原理

遠程遙控的方式
在永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統主要包括風(fēng)力機、直驅永磁同步發(fā)電機、功率變換器。風(fēng)力機(風(fēng)機)是捕獲風(fēng)能并將其轉化為機械能的重要設備，傳動(dòng)系統將風(fēng)輪與發(fā)電機連接起來(lái)，永磁同步發(fā)電機將風(fēng)輪吸收的機械能轉為電能，PMSG風(fēng)力發(fā)電控制系統實(shí)行電能變換。PMSG風(fēng)力發(fā)電系統如圖3所示。

圖3 PMSG風(fēng)力發(fā)電系統

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機最大風(fēng)能捕獲控制
1.最大風(fēng)能捕獲控制

功率-轉速關(guān)系曲線(xiàn)如圖4。

圖4 風(fēng)電機組的功率-轉速關(guān)系曲線(xiàn)

圖中，V，V2，V3均用于表示風(fēng)速，且V>vz>V3,0。用于表示發(fā)電機轉速，P用于表示風(fēng)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(guò)連接每條轉速-機械功率曲線(xiàn)最佳風(fēng)輪輸出功率點(diǎn)構成最佳發(fā)電功率曲線(xiàn)P(w。t)，通過(guò)控制機組狀態(tài)量使得風(fēng)電機組按照最佳發(fā)電功率曲線(xiàn)運行即為最佳風(fēng)能捕獲。

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

圖6 發(fā)電機系統控制框圖

2.PMSG數學(xué)模型

圖7 dq坐標系永磁發(fā)電機的電磁轉矩方程為:

發(fā)電機傳動(dòng)系統模型為:

3.電壓電流雙閉環(huán)控制策略

通過(guò)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(shí)施控制，需要進(jìn)行電壓的前饋補償，對旋轉后的電壓進(jìn)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(jìn)而結合輸出功率得到式:

其中，kpd、kid、kpq、kiq分別表示dq軸電流內環(huán)比例和積分的增益。

圖8 電流內環(huán)d軸控制框圖

圖9 電流內環(huán)q軸控制框圖

圖10 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機最大風(fēng)能捕獲控制仿真圖

圖11 實(shí)驗仿真結果圖

圖12 風(fēng)機端功率指令與發(fā)電機端輸出功率

圖13 A相電流與風(fēng)機轉速

實(shí)驗：

當模塊在啟動(dòng)前，系統進(jìn)行了轉子初始位置檢測以防止電機反轉。通過(guò)觀(guān)察電機驅動(dòng)器的定子電流和電機轉速可知，增加了初始位置檢測與啟動(dòng)后PMSM電機能夠平滑啟動(dòng)且達到給定轉速2000RPM。根據顧客的應用需要，直流電源的設計亦隨時(shí)代演進(jìn)衍生出許多特殊功能，這些功應用PTS5000完成最佳風(fēng)能捕獲，其連接線(xiàn)圖如圖14所示。PSW160-7.2設定電壓為130V，電流3A，將PSW電源開(kāi)啟后，依序將PEK520-1開(kāi)啟，最后將PEK520-2開(kāi)啟。能包含:

圖14 實(shí)驗接線(xiàn)圖

圖15 不同風(fēng)速下P-N曲線(xiàn)