【正文】 風(fēng)速 下的最佳轉(zhuǎn)速 1ω ，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的功率等于風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率乘以系統(tǒng)效率。 19 如果某一時(shí)刻風(fēng)速突然升高到 V2，風(fēng)力機(jī)獲得的功率就會(huì)由點(diǎn) P1 躍變至 P2 由于大的機(jī)械慣性作用和控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程滯后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速仍然運(yùn)行ω 1 點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率大于發(fā)電機(jī)輸出的功率，功率的不平衡，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高。在這個(gè)變化過(guò)程中，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)將分別沿著風(fēng)速 V2 下的功率曲線軌跡運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行至發(fā)電機(jī)功率曲線和最佳功率曲線的交點(diǎn)時(shí)，功率將重新達(dá)到平衡。此時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在對(duì)應(yīng) 于該風(fēng)速下的最佳轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)輸出的最佳功率為 P0。同理，也可以分析風(fēng)速?gòu)母叩降妥兓?，最大風(fēng)能捕獲過(guò)程和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)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(wú)需測(cè)量風(fēng)速，也不需要事先知道具體風(fēng)力機(jī)的功率特性曲線，而是施加人為的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)，然后通過(guò)測(cè)量功率的變化來(lái)自動(dòng)搜索發(fā)電機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速點(diǎn)。其追蹤最大風(fēng)能的原理：計(jì)算當(dāng)前風(fēng)力機(jī)的功率 P0，并和上個(gè)控制周 期的風(fēng)力機(jī)功率比較，如果功率下降，那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng)值 dω反號(hào)，否則保持其符號(hào)不變。最后將當(dāng)前的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)值和上個(gè)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(shuō)，當(dāng)風(fēng)機(jī)的功率一直增加時(shí)，保持轉(zhuǎn)速指令增加（或減?。┑姆较虿蛔?，當(dāng)風(fēng)力機(jī)的功率減小時(shí)，原來(lái)轉(zhuǎn)速指令在增加的就要變成減小，原來(lái)轉(zhuǎn)速指令減小的就要變成增加，即將轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng) dω反號(hào)。 圖 44 爬山搜索法 20 并網(wǎng)運(yùn)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(yùn)行逆變控制策略，鑒于時(shí)間的原因，并沒(méi)有對(duì)該系統(tǒng)的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(mén)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(jí)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(diǎn)，即高輸入阻抗，電壓控制，驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率可達(dá) 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(jī)組的并網(wǎng)控制系統(tǒng)采用了電力電子裝置，當(dāng)它將電能輸送給電網(wǎng)時(shí)會(huì)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(jī)組與電網(wǎng)之間需要一個(gè)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(dòng)態(tài)特性并能確保向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能。對(duì)電力電子接口的具體要求是： （ 1）在發(fā)電機(jī)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(jī)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(jiǎn)便； 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)需要滿足一定的條件，即發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)并網(wǎng)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)自身產(chǎn)生的沖擊。在理想情況下，滿足這些條發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的電流為零，即沒(méi)有功率交換，發(fā)電機(jī)實(shí)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(jī)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(jī)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(duì)逆變器來(lái)說(shuō)，中間環(huán)節(jié)的直流電壓過(guò)高或 過(guò)低都是有害的，其變動(dòng)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(duì)直流變換電路的控制，使風(fēng)力機(jī)捕獲的功率與逆變器輸出的功率維持一個(gè) 動(dòng)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(dāng)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(guò)鎖相環(huán)測(cè)出它們之間的相角）。無(wú)論何種情況，對(duì)于已知的電網(wǎng) 電壓，都可以得到需要 逆變器實(shí)現(xiàn)的每相輸出電壓的波形。為了便于分析和敘述， 認(rèn)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(dāng)風(fēng)速和電機(jī)速度 不斷變化時(shí)，此時(shí)逆變器并不以獲得最大風(fēng)能為控制目標(biāo)，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(biāo)進(jìn)行工作。用電壓傳感器檢測(cè)電網(wǎng)和發(fā)電 機(jī)電壓的頻率、幅值和相位，采用閉環(huán) PI 控制，當(dāng)檢測(cè)到電壓相位完全一致 時(shí)，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(fù)載中，除了需要有功功率，有的負(fù)載還需要無(wú)功功率，如感應(yīng)電 動(dòng)機(jī)和變壓器等都需要感性的無(wú)功功率。整個(gè)電網(wǎng)要是無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)貌粔?，? 會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓下降，這對(duì)用戶是很不利的。因此同步發(fā)電機(jī)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(wú)功功率，這是它的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。 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(fù)載條件下輸出電壓諧波含量大 ,波形失真嚴(yán)重 。另一方面 ,電壓有效值外環(huán)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程十分緩慢 ,在突加、突減負(fù)載時(shí)輸出波形波動(dòng)大 ,恢復(fù)時(shí)間一般需要幾個(gè)甚至幾十個(gè)基波周期。瞬時(shí)控制方案可以在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)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?jiǎn)苇h(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(kuò)大逆變器控制系統(tǒng)的帶寬 ,使得逆變器動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快 ,非線性負(fù)載適應(yīng) 能力加強(qiáng) ,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(shí)電壓環(huán)控制。輸出電壓與參考正弦基準(zhǔn)比較．誤差信號(hào)經(jīng)過(guò) PI 控制器調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。電感電流瞬時(shí)值與電流基準(zhǔn)比較產(chǎn)生的誤差信號(hào)與三角波載波比較后產(chǎn)生ＳＰＷＭ控制信號(hào)。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(huì)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(duì)逆變器過(guò)載有較好的保護(hù)作用。 47 電壓電流雙環(huán)逆變器控制原理圖 DSP 簡(jiǎn)述與選型 根據(jù)前面中逆變裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，逆變裝置的控制系統(tǒng)需采用高速微處理來(lái) 23 構(gòu)成數(shù)字控制系統(tǒng)。本文 DSP 選取的是 TMS320F28335。 TMS320F28335 簡(jiǎn)介： TMS320F28335 型 數(shù)字信號(hào)處理器 TI 公司的一款 TMS320C28X 系列浮點(diǎn) DSP 控制器。與以往的定點(diǎn) 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(chǔ)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(diǎn)處理單元， 6 個(gè) DMA通道支持 ADC、 McBSP 和 EMIF，有多達(dá) 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(diǎn)運(yùn)算單元 ，用戶可快速編寫(xiě)控制算法而無(wú)需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和精力，與前代 DSP 相比，平均性能提高 50%，并與定點(diǎn) C28x 控制器 軟件兼容 ，從而簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)， 縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)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(jì) 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(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)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(dòng)畫(huà)和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的 MATLAB 對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)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(duì)于一些其他軟件所沒(méi)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(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)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(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。 Simulink 實(shí)際是一個(gè)動(dòng)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(jì)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(qiáng)大的系統(tǒng)仿真工具。除此之外，它還提供了圖形動(dòng)畫(huà)處理方法，以方便用戶觀察系統(tǒng)仿真的整個(gè)過(guò)程，可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模。在建模上，Simulink 提供了一個(gè)圖形 化的用戶界面（ GUI）， 可以拖曳模塊的圖標(biāo)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(shí)候用戶都可以在這兩個(gè)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(jí)的，可以通過(guò)自上而下或者自下而上的方法建立模型。可以在最高層面上查看一個(gè)系統(tǒng)，然后通過(guò)雙擊系統(tǒng)中的各個(gè)模塊進(jìn)入到系統(tǒng)的低一級(jí)層面以查看模型的更多的細(xì) 節(jié)。這提供了一個(gè)了解模型時(shí)如何組成以及它的各個(gè)部分時(shí)如何相互聯(lián)系的方法。 針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電體系下的電能變換電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的控制策略及方案在 Matlab 軟件下應(yīng)用 Simulink 來(lái)完成的模型搭建和仿真調(diào)試。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的電能變換電路拓?fù)浣Y(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(cè) 電 路隔 離 電 源光 電 隔 離 及驅(qū) 動(dòng) 電 路輸 入 濾 波ACDCAC主電路過(guò) 壓 過(guò) 流 保護(hù) 電 路負(fù) 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(gè)圖形化的建模環(huán)境，同過(guò)鼠標(biāo)單擊 和拖拉操作進(jìn)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(shí)間和離散采樣時(shí)間； （ 4） MATLAB 與 Simulink 集成在一起，因此，無(wú)論何時(shí)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(yùn)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(tái)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(jìn)行系統(tǒng)的仿真研究，并驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理框圖。系統(tǒng)硬件電路包括： ACDCAC 主電路、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、 TMS320F281 EPM3128ATC100、吸收保護(hù)電路和負(fù)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制算法，完成 PWM 信號(hào)輸出功能、系統(tǒng)故 障保護(hù)信號(hào)輸出功能。 CPLD 選用 Altera 公司的 EPM3128ATC100，對(duì) PWM 信號(hào)進(jìn)行邏輯編程，實(shí)現(xiàn)死區(qū)控制。 圖 51 系統(tǒng)平臺(tái)原理圖 27 系統(tǒng)軟件框圖 ACDCAC 系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)逆變級(jí) SPWM 控制策略，其軟件設(shè)計(jì)包括主程序、捕捉中斷子程序、通用定時(shí)器 1