【正文】 下的最佳轉(zhuǎn)速 1ω ，此時發(fā)電機輸出的功率等于風(fēng)力機捕獲的機械功率乘以系統(tǒng)效率。 19 如果某一時刻風(fēng)速突然升高到 V2，風(fēng)力機獲得的功率就會由點 P1 躍變至 P2 由于大的機械慣性作用和控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程滯后，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速仍然運行ω 1 點，此時風(fēng)力機捕獲的機械功率大于發(fā)電機輸出的功率，功率的不平衡，將導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高。在這個變化過程中，風(fēng)力機和發(fā)電機將分別沿著風(fēng)速 V2 下的功率曲線軌跡運行。當運行至發(fā)電機功率曲線和最佳功率曲線的交點時，功率將重新達到平衡。此時，轉(zhuǎn)速 穩(wěn)定在對應(yīng)于該風(fēng)速下的最佳轉(zhuǎn)速，發(fā)電機輸出的最佳功率為 P0。同理，也可以分析風(fēng)速從高到低變化，最大風(fēng)能捕獲過程和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程。其控制的基本結(jié)構(gòu)如圖 43 所示。 圖 43 功率反饋控制 （ 3）爬山搜索法 爬山搜索法的基本原理如圖 44 所示。該方法無需測量風(fēng)速，也不需要事先知道具體風(fēng)力機的功率特性曲線，而是施加人為的轉(zhuǎn)速擾動，然后通過測量功率的變化來自動搜索發(fā)電機的最佳轉(zhuǎn)速點。其追蹤最大風(fēng)能的原理：計算當前風(fēng)力機的功率 P0，并和 上個控制周期的風(fēng)力機功率比較，如果功率下降，那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動值 dω反號，否則保持其符號不變。最后將當前的轉(zhuǎn)速擾動值和上個周期的轉(zhuǎn)速指令相加就得到新的轉(zhuǎn)速指令值。也就是說，當風(fēng)機的功率一直增加時，保持轉(zhuǎn)速指令增加（或減?。┑姆较虿蛔?，當風(fēng)力機的功率減小時，原來轉(zhuǎn)速指令在增加的就要變成減小，原來轉(zhuǎn)速指令減小的就要變成增加，即將轉(zhuǎn)速指令的擾動 dω反號。 圖 44 爬山搜索法 20 并網(wǎng)運行控制策略 本節(jié)給出了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行逆變控制策略，鑒于時間的原因，并沒有對該系統(tǒng)的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行仿真，以下給出了其基本控制方案。其基本示意圖如圖 45所示。逆變器為正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）整流器，提供固定頻率、可變電壓控制。采用絕緣門極雙極性晶體管（ IGBT），該器件是一種復(fù)合器件，其輸入控制部分為 MOSFET，輸出級為雙極結(jié)型三極晶體管；因此兼有 MOSFET 和電力晶體管的優(yōu)點，即高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率可達 10~40kHz，飽和壓降低， 電壓、電流容量較大，安全工作區(qū)域?qū)挕? 圖 4 5 逆變電路示意圖 由于變速風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)控制系統(tǒng)采用了電力電子裝置，當它將電能輸送給電網(wǎng)時會產(chǎn)生電力諧波使功率因素惡化。因此在變速風(fēng)力發(fā)電機組與電網(wǎng)之間需要一個電力電子接口，該接口在驟變的風(fēng)況條件下具有快速的動態(tài)特性并能確保向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能。對電力電子接口的具體要求是： （ 1）在發(fā)電機和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的諧波電流； （ 2）具有單位功率因數(shù)或可控制的功率因數(shù)； （ 3）使發(fā)電機輸 出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化； （ 4）向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率； （ 5）系統(tǒng)控制簡便； 發(fā)電機并網(wǎng)時需要滿足一定的條件，即發(fā)電機電壓與電網(wǎng)電壓的相序、頻率、幅值和相位分別一致，風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)也不例外。滿足這些條件的目的是減小發(fā)電機并網(wǎng)過程對電網(wǎng)及發(fā)電機自身產(chǎn)生的沖擊。在理想情況下，滿足這些條發(fā)電機與電網(wǎng)之間的電流為零，即沒有功率交換，發(fā)電機實現(xiàn)空載并網(wǎng)。 21 如果逆變器的輸出功率不能與風(fēng)力機捕獲的能量保持一致，則功率差必然表 現(xiàn)在該裝置的中間直流變換環(huán)節(jié)。即如果風(fēng)力機捕獲的風(fēng)能大于逆變器的輸出功 率，則直流環(huán)節(jié)電壓 增加，反之則減小。所以中間直流環(huán)節(jié)電壓的值可以反映該 裝置的輸出、輸入功率的平衡狀態(tài)。對逆變器來說，中間環(huán)節(jié)的直流電壓過高或 過低都是有害的，其變動范圍應(yīng)是有限制的。這就需要控制逆變器的輸出功率， 以及對直流變換電路的控制，使風(fēng)力機捕獲的功率與逆變器輸出的功率維持一個 動態(tài)平衡。 考慮到需要并入的電網(wǎng)電壓已知，逆變器輸出電壓的頻率、幅值和相位跟蹤 電網(wǎng)電壓（當考慮由于電感的原因，逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓存在一定的相位 關(guān)系，可以通過鎖相環(huán)測出它們之間的相角）。無論何種情況，對于已知的電網(wǎng) 電壓，都可 以得到需要逆變器實現(xiàn)的每相輸出電壓的波形。為了便于分析和敘述， 認為要求逆變器輸出各相電壓跟蹤電網(wǎng)電壓波形。在并網(wǎng)前，當風(fēng)速和電機速度 不斷變化時，此時逆變器并不以獲得最大風(fēng)能為控制目標，而是希望逆變器輸出 各相電壓跟蹤電網(wǎng)各相電壓為控制目標進行工作。用電壓傳感器檢測電網(wǎng)和發(fā)電 機電壓的頻率、幅值和相位，采用閉環(huán) PI 控制，當檢測到電壓相位完全一致 時，滿足并網(wǎng)條件后并網(wǎng)。逆變控制示意圖如圖 46 所示。 圖 46 逆變控制示意圖 電網(wǎng)的總負載中，除了需要有功功率，有的負載還需要無功功率，如感應(yīng)電 動機和變壓器等都需要感性的無功功率。整個電網(wǎng)要是無功功率補償?shù)貌粔?，? 會導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓下降，這對用戶是很不利的。因此同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)后， 22 不僅能向電網(wǎng)發(fā)出有功功率，而且能向電網(wǎng)發(fā)出無功功率，這是它的一個很大的優(yōu)點。 雙環(huán)控制 早些年 ,PWM 逆變器電壓電流雙環(huán)控制用輸出電壓有效值外環(huán)維持輸出電壓有效值恒定 ,這種控制方式只能保證輸出電壓的有效值恒定 ,不能保證輸出電 壓的波形質(zhì)量 ,特別是在非線性負載條件下輸出電壓諧波含量大 ,波形失真嚴重 。另一方面 ,電壓有效值外環(huán)控制的動態(tài)響應(yīng)過程十分緩慢 ,在突加、突減負載時輸出波形波動大 ,恢復(fù)時間一般需要幾個甚至幾十個基波周期。瞬時控制方案可以在運行過程中實時地調(diào)控輸出電壓波形 ,使得供電質(zhì)量大大提高。其中 ,應(yīng)用較多的有 :電壓單環(huán) PID 控制 ,電壓電流雙環(huán)控制 ,滯環(huán)控制 ,重復(fù)控制 ,滑模變結(jié)構(gòu)控制等。目前 ,電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案是高性能逆變電源的發(fā)展方向之一 ,雙環(huán)控制方案的電流內(nèi)環(huán)擴大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬 ,使得逆變器動態(tài)響應(yīng)加快 ,非線 性負載適應(yīng)能力加強 ,輸出電壓的諧波含量減小。 基于ＳＰＷＭ的電壓電流雙環(huán)逆變器控制原理圖 47所示．外環(huán)為瞬時電壓環(huán)控制。輸出電壓與參考正弦基準比較．誤差信號經(jīng)過 PI 控制器調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)基準：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。電感電流瞬時值與電流基準比較產(chǎn)生的誤差信號與三角波載波比較后產(chǎn)生ＳＰＷＭ控制信號。由于采用電感電流作為內(nèi)環(huán)．因此這種控制方法有輸出限流的功能．即使在輸出短路的情況下．輸出電流也不會很大，而是被限定在設(shè)定的電流值。這增加了系統(tǒng)的可靠性。對逆變器過載有較好的保護作用。 47 電壓電流雙環(huán)逆變器控制原理圖 DSP 簡述與選型 根據(jù)前面中逆變裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，逆變裝置的控制系統(tǒng)需采用高速微處理來 23 構(gòu)成數(shù)字控制系統(tǒng)。本文 DSP 選取的是 TMS320F28335。 TMS320F28335 簡介： TMS320F28335 型 數(shù)字信號處理器 TI 公司的一款 TMS320C28X 系列浮點 DSP 控制器。與以往的定點 DSP 相比，該 器件的精度高，成本低， 功耗小，性能 高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序 存儲量 大， A/D 轉(zhuǎn)換更精確快速等。 TMS320F28335 具有 150MHz 的高速處理能力，具備 32 位浮 點處理單元， 6 個 DMA通道支持 ADC、 McBSP 和 EMIF，有多達 18 路的 PWM 輸出，其中有 6 路為 TI 特有的更高精度的 PWM 輸出 (HRPWM)， 12 位 16 通道 ADC。得益于其 浮點運算單元 ，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多的時間和精力，與前代 DSP 相比，平均性能提高 50%，并與定點 C28x 控制器 軟件兼容 ，從而簡化軟件開發(fā)， 縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。 引腳定義如圖 48 引腳定義 24 TMS320F28335接線圖 49如下： 49 接線圖 25 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 基于 MATLAB/Simulink 環(huán)境下的仿真研究 MATLAB/Simulink 概述 MATLAB 自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和 矩陣 用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖 形進行標注和打印。高層次的作圖包括 二維 和 三維 的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計算和工程繪圖。新版本的 MATLAB 對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維 曲線 和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的 光照 處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等）， MATLAB 同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等， MATLAB 也有相應(yīng)的功能函數(shù) ，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的 MATLAB 還著重在圖形用戶界面（ GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。 Simulink 實際是一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，它是一種基于 MATLAB 的框圖設(shè)計環(huán)境，支持線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，或它們的混合系統(tǒng)它是強大的系統(tǒng)仿真工具。除此之外，它還提供了圖形動畫處理方法，以方便用戶觀察系統(tǒng)仿真的整個過程，可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模。在建模上，Simulink 提供了一個圖形化的用戶界面（ GUI）， 可以拖曳模塊的圖標建模。 Simulink 中的模型分析工具包括線性化工具和調(diào)整工具，這可以從 MATLAB 命令行獲取。 MATLAB 及其工具箱內(nèi)還有許多其他的適合用于不同工程領(lǐng)域的分析工具，由于 MATLAB 和 Simulink 是集成在一起的，因此任何時候用戶都可以在這兩個環(huán)境中仿真、分析和修改模型。在 Simulink 軟件包中所有模型都是分級的，可以通過自上而下或者自下而上的方法建立模型?？梢栽谧罡邔用嫔喜榭匆粋€系統(tǒng)，然后通過雙擊系統(tǒng)中的各個模塊進入到系統(tǒng)的低一級層面以查看模型的更多的細節(jié)。這提供了一個了解模型時如何組成以及它的各個部分時如何相 互聯(lián)系的方法。 針對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電體系下的電能變換電路進行了設(shè)計，并對所設(shè)計的控制策略及方案在 Matlab 軟件下應(yīng)用 Simulink 來完成的模型搭建和仿真調(diào)試。通過仿真，驗證了設(shè)計的電能變換電路拓撲結(jié)構(gòu)的正確性及控制策略的合理性，為直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換的研究提供了一定的信息。 Simulink 系統(tǒng)建模的主要特性是： 26 檢 測 電 路隔 離 電 源光 電 隔 離 及驅(qū) 動 電 路輸 入 濾 波ACDCAC主電路過 壓 過 流 保護 電 路負 載DSPTMS320F2812C A PP W MC P L DE P M 3 1 2 8 A T C 1 0 0三 相 電 源（ 1）框圖式建模。 Simulink 提供了一個圖形化的建模環(huán)境，同過鼠標單擊 和拖拉操作進行框圖式建模； （ 2）支持非線性； （ 3）支持混合系統(tǒng)仿真，即系統(tǒng)中包含連續(xù)采樣時間和離散采樣 時間； （ 4） MATLAB 與 Simulink 集成在一起，因此，無論何時再任何環(huán)境下都可以建模、分析和仿真用戶模型。 本文在前面的章節(jié)中己經(jīng)分析了各組成部分的數(shù)學(xué)模型和運行特性，按照前 面所述的控制策略為基礎(chǔ)，本章的主要內(nèi)容就是基礎(chǔ)上利用 MATLAB/Simulink 仿真平臺構(gòu)建直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，進行系統(tǒng)的仿真研究，并驗證該系統(tǒng)控制方法的可行性。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 圖 51 為系統(tǒng)實驗平臺原理框圖。系統(tǒng)硬件電路包括： ACDCAC 主電路、檢測電路、驅(qū)動電路、 TMS320F281 EPM3128ATC100、吸收保護電路和負載。 系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用基于 DSP+CPLD 的雙芯片控制模式。主芯片 DSP 采用 TI 公司的TMS320F2812，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制算法，完成 PWM 信號輸出功能、系統(tǒng)故 障保護信號輸出功能。 CPLD 選用 Altera 公司的 EPM3128ATC100，對 PWM 信號進行邏輯編程，實現(xiàn)死區(qū)控制。 圖 51 系統(tǒng)平臺原理圖 27 系統(tǒng)軟件框圖 ACDCAC 系統(tǒng) 軟件主要實現(xiàn)逆變級 SPWM 控制策略，其軟件設(shè)計包括主程序、捕捉中斷子程序、通用定時器 1