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永磁同步风力发电系统控制技术综述

摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，我国的电力企业发

展十分迅速，文章首先对永磁同步风力发电系统的变流拓扑进行了介绍，然后在

对其拓扑结构分析的基础之上对矢量控制技术和直接转矩控制技术应用于永磁同

步风力发电机进行了详细的分析。最后，指出了永磁同步风力发电系统控制技术

未来可能的研究重点和发展趋势。

关键词：风力发电;永磁同步风力发电机;控制技术

引言

随着科学技术的不断进步，人们开始意识到能源在促进人类社会不断发展中

的重要作用，伴随着飞速发展的社会经济，作为人类发展至今的主要能源的煤和

石油等已经面临着枯竭的状态。为了实现人类的可持续发展，人们开始研究新能

源和可再生能源的开发和利用。而风能以其自身独特的优势，在近年来新能源的

开发过程中得到广泛的关注。对风能的开发和利用过程中产生的直驱式永磁同步

风力发电系统给人们的生活带来了极大的便利，同时还减少了污染，因此对于直

驱式永磁同步风力发电系统的控制研究具有重大意义。

风力发电机的控制1方法

根据风力发电过程中发电机的运行特点、控制技术，可以将其分为变速变频

系统、恒速恒频系统、变速恒频系统三种。发电过程中，如果风力发电机与电网

并联，风电的频率与电网相同，电网的频率恒定，则风电的频率一也要保持不变，

所以变速变频系统的应用范围比较窄。恒速恒频系统中，发电机通过笼型异频电

机进行并网运行，通常运行在电机机械特性曲线的稳定区，如果风速增加，风力

机传统发电机的机械功率也会增大，一旦转子速度大于同步转速，则会对异步发

电机的稳定性产生影响，从而发生飞车危险。并且，风力机的输出功率与风速的

三次方为正比关系，风速变化范围一定，由于风力机的功率因数在某个确定的风

速比下才能达到最大值，因此只有允许风力机变速运行才能更好的利用风能，而

恒速恒频系统风力机转速是保持恒定的，风速却不断变化，无法保证最大的功率

因数，因此恒速恒频系统的应用也不太广泛，现阶段应用最广泛的即为变速恒频

风力发电控制，下文做重点介绍。

控制2策略综述

无传感器2.1矢量控制

为了解决由于使用传感器所带来的系统可靠性降低等问题，不少学者提出了

永磁同步风力发电机无传感器控制技术。提出了一种在无位置传感器的情况下，

将矢量控制用于永磁同步风力发电机的控制方法。采用简化卡尔曼滤波器进行电

机转子位置和转速估计。该系统选取转子位置和转速作为状态变量，两相定子电

流作为输入，建立了基于简化卡尔曼滤波器的永磁同步发电机状态估计离散模型，

实现了无位置传感器矢量控制。虽然这种方法在无位置传感器的前提下实现了永

磁同步风力发电系统最大功率追踪控制，但是运算量很大，且参数调试复杂。提

出的结构与所提出结构的不同之处在于在卡尔曼滤波器的基础上增加了锁相环功

能来对永磁同步发电机的速度和位置信息进行精准估计。在永磁同步风力发电机

无位置传感器矢量控制的基础上增加了滑模观测器，该方法使状态运动点在相平

面上进行微小变动，最终到达静态稳定点，当发电机参数变化时，它具有良好的

适应性能，可以在很大程度上提高发电系统的可靠性，但是算法较复杂。

网侧2.2PWM逆变器控制策略

网侧PWM逆变器控制的目的是将直流电转换成交流电，具体是为了得到同

相位和幅值的电网的交流电要使机侧变流器整流而来的直流电进行转换，而此时，

必须要确保稳定的是直流母线电压。对直流母线下达的电压命令要达到一定数值，

来保证充足的反向截止电压能够供给给开关。电网电压的矢量顶箱操控是网侧年

便器所应用的策略，在d轴上使网侧电压矢量进行定向，单位功率因数形式处于

正常的工作状态下，只有有功功率得到了输出；当故障造成电网停止运作时，要

使无功电流命令得到转变，逆变器有功和无功的多少进行调整。

2.3Boost电路控制及变桨距控制

根据空气动力学的原理可以得出，风轮机输出功率的表达式为:公式(6)中P

为风轮机输出功率，ρ为空气密度，A为转轮旋转截面面积(扫掠面积)，υ为风速，

Cp=f(，λα为)风轮功率系数，λ=ωR/为υ风轮叶尖速比，α为风机桨矩角。该公式

说明在相同风速下，风力机的不同转速会使其输出的功率不同，要捕获最大风能

必须在风速变化时及时调整转速ω，并保持最佳叶尖速比。为实现最大风能捕获，

根据风力机的3种典型运行状态可以做出相应调整:①低风速段实行变速运行，

可保持一个恒定的Cp值