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

發布日期:2024-01-03  點擊次數: 41  作者:固緯電子

寫在前面的話

隨著人們對環保問題越加關注,清潔可再生能源的發展越來越快,其中風能作為地球上蘊藏量豐富、清潔的可再生能源,因其具有較高的開發和環保價值而受到廣泛關注。風力發電由兩部分組成,即風能轉為機械能和機械能轉化為電能。前一部分通過風力機完成,將風能轉為機械能;后一部分是將風力機轉化的機械能進一步轉化為電能,由發電機完成。不同的風速,風機都會有一個與之對應的最佳轉速,通過控制發電機組在最佳轉速下運行實現最大功率輸出,是風機最大風能捕獲研究的關鍵。本期將利用PTS-5000模塊永磁同步發電機型風電逆變器通過間接轉速控制實現最大風能捕獲進行實驗分析,為老師提供相關實驗與教學資源參考。實驗模組PEK-520Lab6如圖1所示。

圖一 PEK-190 PEK-520最大風能捕獲實驗模組

PEK-520模組介紹:

PEK-520 為永磁同步發電機型風電逆變器(Maximum Power Point Tracking ofWTG),模組實物照片如圖1所示,主要三部分組成,分別為風機驅動器模塊,發電機驅動器與永磁同步馬達(含PMSM與PMSG)。該模組實驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學習平臺,即借助PSIM 軟件完成仿真和實驗。第一實驗者可以在PSIM上建立模擬(連續)仿真電路,以學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,進行仿真研學;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,再次進行數字(離散)仿真;第四通過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,以備實物實驗。這樣設計的最大優點方便實驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。
進行實驗除需要PEK-520模組外,仍需配置永磁同步發電機機組、PEK-005A(輔助電源)和 PEK-006 (JTAG 下載器)等,并在PTS-5000的實驗平臺上完成,PTS-5000的實驗平臺如圖2所示。

PTS-3000 實驗平臺圖2 PTS-5000 的實驗平臺圖

永磁同步發電機型風電系統原理

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

圖3 PMSG風力發電系統

永磁同步風力發電機最大風能捕獲控制
1.最大風能捕獲控制

功率-轉速關系曲線如圖4。

圖4 風電機組的功率-轉速關系曲線

圖中,V,V2,V3均用于表示風速,且V>vz>V3,0。用于表示發電機轉速,P用于表示風輪的輸出機械功率;P則用于表示發電機的最佳發電功率,通過連接每條轉速-機械功率曲線最佳風輪輸出功率點構成最佳發電功率曲線P(w。t),通過控制機組狀態量使得風電機組按照最佳發電功率曲線運行即為最佳風能捕獲。

利用估測風機輸出功率追蹤MPPT曲線可得風機轉速命令,控制框圖5所示:

圖5 風機轉速控制框圖
發電機系統控制框圖如圖6所示

圖6 發電機系統控制框圖

2.PMSG數學模型

不同坐標系下PMSG的物理模型如圖7所示。

圖7 不同坐標系下PMSG的物理模型
在dq軸同步旋轉坐標系下,永磁同步風力發電機數學模型定子電壓方程如下:

圖7 dq坐標系永磁發電機的電磁轉矩方程為:

發電機傳動系統模型為:

其中,ua、u。為定子輸出電壓的dq_軸分量,i、i為定子輸出電流的dq_分量y為轉子永磁磁通,L、L和R分別為定子交直軸電感和電阻,n為發電機極對數,T為電磁轉矩,T為機械轉矩,B 為總粘性阻尼系數,J為總轉動慣量,ω為電機的電角速度,w.=nω ,ω為發電機轉速。本實驗用永磁同步發電機是10極永磁同步電機,因此電氣角速度是機械角速度的5倍。

3.電壓電流雙閉環控制策略

通過坐標變換可知,永磁同步發電機dg軸電壓存在耦合項,為了便于實施控制,需要進行電壓的前饋補償,對旋轉后的電壓進行前饋解耦補償,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,進而結合輸出功率得到式:

即q軸電流可以控制發電機的電磁轉矩和輸出功率,由此,發電機的電磁轉矩和輸出功率可以由對發電機的g軸電流iq進行控制。在電壓電流雙閉環控制策略中,外環采用轉速環,內環采用電流環,控制策略可以表示為:

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

圖8 電流內環d軸控制框圖

圖9 電流內環q軸控制框圖

PSIM仿真
在PSIM搭建模擬仿真圖如圖7所示。仿真結果如圖10、11、12與圖13所示。

圖10 永磁同步風力發電機最大風能捕獲控制仿真圖

圖11 實驗仿真結果圖

圖12 風機端功率指令與發電機端輸出功率

圖13 A相電流與風機轉速

實驗:

當模塊在啟動前,系統進行了轉子初始位置檢測以防止電機反轉。通過觀察電機驅動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后PMSM電機能夠平滑啟動且達到給定轉速2000RPM。根據顧客的應用需要,直流電源的設計亦隨時代演進衍生出許多特殊功能,這些功應用PTS5000完成最佳風能捕獲,其連接線圖如圖14所示。PSW160-7.2設定電壓為130V,電流3A,將PSW電源開啟后,依序將PEK520-1開啟,最后將PEK520-2開啟。能包含:

圖14 實驗接線圖

當風速改變時,風機的功率曲線隨之變化,最大功率點也會不同,將不同風速的最大點繪出一條最大功率曲線(MPPT),各風速下最大功率對應轉速如表1,通過改變風速觀察輸出功率是否保持在最大功率點上。

圖15 不同風速下P-N曲線

表1 不同風速下最大功率點的對應轉速

以風速U取5為例,通過示波器可觀測風機功率為14.5W,發電機轉速為691rpm:

圖16 風速為5時,發電機轉速及風機功率

結 論

由結果可以看出,當風速改變時,通過最大功率跟蹤控制,調整發電機轉速,以達到當下風速之最大功率點。

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