风力机仿真器：基于永磁同步电机在风能转换系统中的应用

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报5（2018）121基于永磁同步电机的穆罕默德·E.放大图片作者：Abdallaha， Osama M.放大图片作者：Arafaa， AdelShaltotb， Ghada A.Abdel Aziza，a埃及电子研究所电力电子系b埃及开罗大学电力和机械系接收日期：2017年12月31日;接受日期：2018年在线发售2018年摘要在风能转换系统（WECS）中，涡轮机捕获部分风能并通过与发电机的动态相互作用将其转换为机械因此，风力发电机组的动力学特性在风力发电系统的整体研究和开发中具有重要的意义。拥有一个真正的风力涡轮机或一个具有便利风力条件的场地并不总是进行研究的保证选择因此，非常期望通过风力涡轮机仿真来创建风力涡轮机动态。在本文中，风力发电机仿真系统使用永磁同步电动机（PMSM）的设计，仿真，实现和实验测试。永磁同步电动机采用磁场定向技术进行转矩控制。三相IGBT逆变器与闭环电流PI控制器被用来驱动永磁同步电机。dSPACE DS1104 DSP原型平台用于处理控制程序的实时执行对系统进行了测试，并在不同风速和发电机负载下对仿真风力机的转矩-转速特性进行了实验验证© 2018 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：风能转换系统;风力机仿真器;永磁同步电机控制1. 介绍风力机仿真器是在实验室中模拟真实风力机特性的设备该仿真器在不需要自然风资源和实际风力机的情况下，模拟真实风力机的动态和静态特性。*通讯作者。电子邮件地址：eri.sci.eg（M.E. Abdallah），oarafa2004@yahoo.com（O.M.Arafa），aashaltout@yahoo.com（A. Shaltot），ghadaahmed@eri.sci.eg（G.A.A. Aziz）。电子研究所（ERI）负责同行评审https://doi.org/10.1016/j.jesit.2018.03.0052314-7172/© 2018电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。122法医Abdallah et al./电气系统与信息技术学报5（2018）121W2Wp2·λ34λi6为了研究测试的目的，设计了一个系统来仿真风力涡轮机的特性。仿真器可以与发电机耦合，以类似于实际风力涡轮机的方式通过在给定风速下产生类似于空气动力学扭矩的扭矩来组成完整的风能转换系统（WECS）显然，使用仿真器提供了更多的控制和灵活性，因为可以根据需要容易地进行可选择的风廓线、速度和可重复的测试条件，而不需要自然风资源或太昂贵的风力涡轮机设备。 鼠笼式感应电动机（SCIM）、永磁同步电动机（PMSM）和DC电动机通常用于在实验室中仿真风力涡轮机（Ovando等人，2007;Kouadria等人，2013 a，2013 b;Hu等人，2008;Yang等人，2013;Voltolini等人，2012年;E-Khalil，2011年）。这些电动机被控制为具有类似于风力涡轮机特性的功率曲线。本文选用永磁同步电机进行仿真。本文详细介绍了不同方面的实施如下：第2节介绍了风力涡轮机的数学模型。第三章和第四章详细介绍了永磁同步电机磁场定向控制的原理，包括PI电流控制器的设计过程。在第5节中，描述了实验装置，并给出了系统测试结果，包括仿真涡轮机的扭矩-速度特性的验证和一些测试场景的实验结果。第六部分是本文的结论。2. 风力涡轮机模型风力涡轮机是WECS的关键推动者。因此，风力发电的建模是研究和改进WECS的关键。风力涡轮机的机械输出功率由方程给出（1）（Li等人， 2007年）。Pm=1ρπR2Cp（λ，β）v3（一）其中ρ是空气密度（Kg/m3），R是转子扫掠面积半径功率系数被定义为涡轮机机械功率与风力可用功率的比率该系数是TSR（λ）和叶片桨距角（β）（λ）的函数。TSR是叶尖速度除以风速的比率，如等式2所示。（二）、ωtRλ=vw（2）其中ωt是转子角速度，单位为rad/s。风力涡轮机的空气动力学机械扭矩由方程给出（3）：1ρπ R3Cp（λ，β）v2Tm=（三）如（Thiringer和Linders，1993年）所述，功率系数Cp（λ，β）是叶尖速比λ和叶片桨距角β的非线性函数。Cp（λ，β）曲线是每种风力涡轮机设计的特定特征，并且可以从涡轮机的现场测试中导出。根据涡轮机特性，通常使用经验方程对Cp、λ和β表面进行建模，如方程所示。（4）（Ovando等人，2007;Kouadria等人，2013 a，2013 b;DeKooning等人， 2012年）。C （λ，β）=C·C1C·β− C eC5+C.λ（4）其中，参数C1（五）：110. 035λi=λ+0。08 β−β3 + 1（52λ1−我法医Abdallah et al./电气系统与信息技术学报5（2018）121123）表1给出了参数C1-C6的典型值（Kouadria等人，2013年a）。根据涡轮机的空气动力学特性，这些参数因涡轮机而异。 图图1示出了具有表1所示参数的涡轮机的不同λ和β值的功率系数特性。对于表1的参数组，在β= 0λ和λ= 8.108处获得功率系数的最大理论值（Cp此外，图2示出了β= 0时的功率系数曲线。124法医Abdallah et al./电气系统与信息技术学报5（2018）121=t表1幂系数方程的参数C1C2C3C4C5C60.51761160.45210.0068Fig. 1.典型功率系数曲线。图二、典型功率系数曲线（β= 0时）。根据方程中的风力涡轮机功率和扭矩在（1）和（3）中，可以注意到，输入是风速、叶片桨距角和转子速度，输出是气动扭矩。结果，风力涡轮机模型或仿真器必须接收相同的输入集合，并且在给定的特定输入下发出由真实涡轮机在每个时刻产生的相同的空气动力学扭矩。应用于所用电机（DC、PMSM或SCIM）的控制的作用是产生指令扭矩，该扭矩将由来自实际涡轮机的给定输入发出根据嵌入风力涡轮机模型中的特性和测量的输入，在控制程序中实时计算该扭矩完整的策略如图所示。3.第三章。 当风力涡轮机额定值高于仿真机额定值时，使用扭矩比例因子S t。St的值由Eq.（六）、缩放简化了实际涡轮空气动力学特性的再现，但在使用的机器规模上，以避免可能的损坏。汽轮机（六）法医Abdallah et al./电气系统与信息技术学报5（2018）121125图三.完整的风电仿真策略。见图4。3 KW风力发电机Matlab/Simulink模型。其中，P机是电动机的标称功率，P涡轮是涡轮机的标称功率。3 kW风力涡轮机的Simulink模型如图4所示。该模型由Eqs. （1）R= 1.5 m，ρ= 1 kg/m3。3. 基于永磁同步电机1 kW表面安装式PMSM用于模拟上一节中提到的涡轮机特性。PMSM被控制以跟踪由风力涡轮机在任何给定的一组输入（例如，风速、叶片桨距角和测量的转子速度）。为了获得高性能的转矩控制，磁场定向技术被用来控制永磁同步电动机。图5给出了所设计的基于PMSM的WTE系统的总体控制方案。三相晶闸管桥式整流器连接到电网，为三相IGBT电压源逆变器提供直流电压。逆变器通过空间矢量脉宽调制SVPWM将三相功率馈送到电机。SVPWM控制由dSPACE DS1104平台执行的控制程序提供。PMSM相电流的测量和映射在同步旋转的参考系使用的转子角度测量通过增量编码器（每转6000脉冲）嵌入在PMSM。电机相电流被控制，使得对于小于或等于转子速度的所有速度，d轴电流保持为零，q轴电流保持为零。126法医Abdallah et al./电气系统与信息技术学报5（2018）121图五.基于永磁同步电机的WTE系统的总体控制方案。该值足以发出指令扭矩。对于高于额定速度的速度，通过允许足够量的d轴电流来根据需要减弱转子磁通量来实现磁场减弱。在这两种情况下，电机磁通和产生的扭矩分别受到控制并相互解耦，这是磁场定向的主要优点，类似于单独励磁直流电机的特性（Hernaez 2014）。4. 电流环PI控制器的设计方法获得d轴和q轴电流的PI控制器增益的设计过程对于表面安装磁体类型的PMSM是相同的，其中d轴和q轴的定子电感是相同的。为了简化电流控制器的设计并独立控制dq电流，必须考虑定子电压方程的解耦因子，如图11和12所示。6和图7设计过程可通过以下步骤实现1- q轴的总开环传递函数可以写为：Gol（S）=Gsam（S）<$GC（S）<$GCA（S）<$GIq（S）（7）其中，G sam（S）是电流传感器传递函数，G c（S）是PI控制器传递函数，G CA（S）是控制算法的传递函数，G Iq（S）是q轴电流路径的传递函数（图1）。 8）。法医Abdallah et al./电气系统与信息技术学报5（2018）121127.布吕普Ki=.CA=CA=iqR=见图6。永磁同步电机d轴电流环控制器.见图7。永磁同步电机q轴电流环控制器。见图8。永磁同步电机q轴单位反馈电流环控制器。2- PI控制器的开环传递函数为：Gc（S）=Kp+KiK1+ Ti S（8）S Ti S其中TiKp是积分器时间常数。3- 控制算法块表示数字计算中的延迟，其开环传递函数为：G（S）1（9）T S+ 14- 设备（q轴电流控制器环路）在去除解耦部分之后具有来自q轴电压方程的开环传递函数，如下所示：G（S）iq（S）Vq（S）1/ R=1+Lq SKa=1+ Tq S（十）其中，Tq是电动机电气时间常数，Ti=Tq。128法医Abdallah et al./电气系统与信息技术学报5（2018）121.sam=sam=ol2=OM=p1=.QD×=c采样块是由数模转换（DAC）产生的延迟它也是具有时间常数T的一阶传递函数。G（S）1（11）0的情况。5吨/秒+1吨/秒通过将等式（8）-Gol（S）=.1个 小时。1Σ∗KaK p. 1 + TiS（12）T S+ 10的情况。5吨/秒+1吨/秒1+ Tq STi S为了简化整个传递函数，引入了时间常数，其表示所有1阶传递函数的近似，所述1阶传递函数产生延迟，因为它们的值与电动机时间常数相比很小，导致较小的动态。这意味着延迟的传递函数将被一个唯一的一阶传递函数所取代，该函数的时间常数等于系统所有时间常数的总和（Anon，2018）。T all= 1。5吨（13）因此，方程的开环传递函数（12）将有一个简单的形式如下：G（S）Ka KpTi S（1+ Tall S）（十四）为了获得Kp的值，有必要使用称为最优模量（OM）的控制器设计准则，其中阻尼因子被选择为$=0.02。二阶系统的开环传递函数具有以下形式：G（S）12$ S（1+$ S）（十五）如果Eqs.因此，为了确定IqPI控制器的增益，推导出以下关系式Kp<$ Ka=1（十六）Ti 2 TallKTi2000美元通过代入（Ti，Ka，Tall）的值，可以得到Kp值：（十七）K== 0。9161，T3. 553563×103 =0。0039秒，T= 1.5× 180× 10−6 = 2.7× 10−4 s K=0aRi=R=0的情况。916均p. 0039×0。91616 5807（I的比例增益 和I）。2×2。7×10−4Ki=Kp =6。5807= 1。6964× 103和（Id和Iq的积分增益）。T i0. 0039将Kp和Ki的值代入方程：（七）：Gc（S）=Kp+KiS= 6。5807+1 .一、6964 103中文（简体）当量（18）可以写成离散形式如下：G（Z） 6。733× Z-6。428Z −1（十九）从前面的计算和调整过程中获得的（Kp和Ki）值的性能如图所示。9.第九条。当前PI控制器调谐后的（K p和法医Abdallah et al./电气系统与信息技术学报5（2018）121129Ki）值为：K p= 8.1401，Ki= 2763.3435。130法医Abdallah et al./电气系统与信息技术学报5（2018）121见图9。 PIIq控制器的调谐响应。见图10。永磁同步电机负载永磁同步发电机的风力发电机实验装置。5. 实验结果在本节中，基于PMSM的WTE的性能在不同条件下进行了实验测试风力涡轮机仿真系统的实验装置如图所示。 10个。仿真器耦合到另一个PM机器，作为发电机工作，并加载可变电阻。PMSM的参数如表2所示。 已经进行了几次测试来检查风仿真系统的性能和有效性。这些测试分为两组。第一个是检查所提出的WTE的静态行为及其产生风力转矩-速度特性的能力。本实验在不同的固定风速下进行了三次系统实验测试中使用的风速为6、8和9 m/s。第二部分是系统的动态特性在不同的情况下测试了系统的动态行为这些情况包括恒定风速下负载的突然变化、风速的突然变化以及最终使用真实现场风速剖面的系统性能。表2PMSM参数。额定转速1500 rpm额定转矩5.649牛顿米额定电流额定电压2.6 A230V峰值扭矩15.2 N m法医Abdallah et al./电气系统与信息技术学报5（2018）121131见图11。采用永磁同步电动机的风力发电机仿真和实时风力发电机的转矩转速特性。5.1. 不同风速下的转矩-转速特性在第一组测试中，在每个风速下，PM发电机上的电阻性负载从空载变为满载，以绘制仿真涡轮机的转矩-速度特性，并根据Matlab/Simulink上的系统仿真生成的真实风力涡轮机转矩-速度特性进行验证精确的风力涡轮机转矩-速度特性和使用PMSM实现的WTE系统的转矩-速度特性如图所示。 十一岁5.2. 动态试验5.2.1. 恒定风速下的负载突变为了测试系统扭矩跟踪，当风速设定为8 m/s时，电阻性负载从无负载频繁地步进到某一随机如图12所示，PMSM产生的扭矩非常好地跟踪从风力涡轮机块发出的扭矩命令此外，功率系数Cp通过增加来自电动机的输出转矩而增加见图12。恒定风速下负载变化时的WTE特性。132法医Abdallah et al./电气系统与信息技术学报5（2018）121图十三.风速为6和8 m/s时的负载特性和风力涡轮机特性。图十四岁基于PMSM的WTE在风速从6 m/s突变到8 m/s时的行为5.2.2. 风速突变另一个测试进行测试的系统的动态行为。风速从6 m/s到8 m/s以及从8 m/s返回到6 m/s的阶跃变化被应用于系统，其中恒定电阻被应用于PMSG。图13示出了负载和WTE扭矩-速度特性。该系统最初在图1所示的A点以6 m/s的速度运行。 13，并且风速突然增加到8 m/s，因此系统的操作点移动到B。在点B处，可用转矩大于由PMSG上的电阻施加的负载转矩，因此系统将加速直到达到新的平衡点C，在新的平衡点C处，转矩和转子速度大于点B处在从8 m/s风速后退到6 m/s风速的过程中，系统到达C点所需的时间取决于旋转质量的总惯性。在图14中，通过如前所述改变风速，当风速升高时转矩增大并且转子速度增大，并且当风速降低时转矩减小该图还示出了电机转矩对转矩命令的完美跟踪5.2.3. 随机风速分布本试验的主要目的是研究系统在随机风速廓线下的性能真实的风模型对于全面评估控制器的性能至关重要某一点的实际风速可分为两个重要分量，即，与宏观气象条件相关的平均风速法医Abdallah et al./电气系统与信息技术学报5（2018）121133∫图15.真实风模型的框图。以及代表风速快速变化的湍流。风模型通常分为两个时间尺度，即平均风速的t s1和湍流的t s2，其中t s2

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