技术领域
[0001] 本
发明属于电力
电子交直流变换与
风力发电技术领域，具体涉及一种基于模型预测的多绕组永磁风力发电机效率优化方法。
背景技术
[0002] 风力发电以其清洁无污染、建设周期短、运行成本低等优点，已成为新
能源和
可再生能源开发的重点领域。与双馈异步风力机相比，直驱式永磁同步风力机无需
齿轮箱，无励磁绕组损耗，具有效率高、可靠性好的优点，且采用六相双Y移30°绕组结构的永磁
同步发电机(见图1)，具有体积小、重量轻、工作可靠性高等优点，并有助于用低压电器实现大功率，因此在永磁直驱同步风力发电系统中也常使用该类型发电机。
[0003] 在直驱式永磁同步风力机中，最大
风能通常是通过控制风力机的转速来获取的。目前最大风能
跟踪方法主要有
叶尖速比法、扰动观察法和最佳特性曲线法。叶尖速比法响应速度快但依赖
风速计测量
精度，且输出功率
稳定性欠佳；扰动观察法关键在于步长的选择，存在难以同时兼顾风电系统对响应速度和输出功率稳定性要求等
缺陷；最佳特性曲线法通过控制直驱永磁风力
发电机组转速满足最佳功率曲线或最佳转矩曲线从而完成最大风能捕获，具有
算法简洁、功率输出
波动小等优点。而直接转矩控制方法因其具有快速响应转矩和转速变化的特点，因此被广泛的应用于永磁同步
风力发电机组的控制领域。将直接转矩控制与最佳特性曲线法相结合，可以实现对永磁同步风力发电机最大功率点的精确跟踪。然由于传统的直接转矩控制策略存在明显的转矩和磁链脉动问题，而模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)以其控制原理简单、可实现多变量控制以及方便解决非线性约束等特点，与永磁同步发电机直接转矩控制方法相结合可减小发电机转矩脉动。
[0004] 对于海上六相多绕组永磁同步发电机控制系统来说，除提高发电机的转矩响应速度，降低转矩和磁通脉动，保证系统的效率和可靠性外，降低永磁同步发电机本身的损耗，优化发电机的效率也是一个亟待解决的问题。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于模型预测的多绕组永磁风力发电机效率优化方法，提高了转矩预测的精度，有效地降低了系统转矩脉动，有利于延长风机的使用寿命
[0006] 本发明是这样实现的，一种基于模型预测的多绕组永磁风力发电机效率优化方法，该方法包括：
[0007] 一种基于模型预测的多相绕组永磁风力发电机效率优化方法，通过对
定子有功
电流设定值、电磁转矩设定值设计性能评价函数，使系统能保持着最小损耗下运行，包括如下的步骤：
[0008] (1)根据发电机设计理论及多相绕组
电路等效方法，构建六相永磁同步发电机损耗模型；
[0009] (2)在模型预测直接转矩控制
基础上结合六相永磁同步发电机损耗模型，定义定子有功电流预测值；
[0010] (3)根据定子有功电流预测值对发电机电磁转矩和磁链进行计算，得到电磁转矩和磁链预测值；
[0011] (4)通过求取系统最小损耗工作点得到定子有功电流设定值；
[0012] (5)将定子有功电流设定值结合最佳特性曲线的最大风能跟踪方法确定电磁转矩设定值；
[0013] (6)根据电磁转矩和磁链给定值与预测值之间偏差最小的原则，选取最优
电压矢量建立性能评价函数，利用电磁转矩设定值和定子有功电流设定值对性能评价函数进行计算。
[0014] 进一步地，搭建六相永磁同步发电机损耗模型，模型搭建通过Park变换以及Clarke变换，建立永磁同步六相电机在dq坐标下的双绕组等效电路，运用电路中的戴维南等效定理继续简化双绕组等效电路后，得到dq
坐标系下六相永磁同步发电机简化损耗模型电路。
[0015] 进一步地，在模型预测直接转矩控制基础上结合六相永磁同步发电机损耗模型，定义定子有功电流预测值，包括:电流
传感器检测发电机当前时间电流，经过Park变换以及Clarke变换在dq坐标系中获得k时刻的定子电流值，同时，
转速传感器检测到k时刻的
转子转速，并根据k时刻的定子电流值和k时刻的转子转速两个值对k+1次的定子电流进行预测得到k+1次的定子电流的预测值，定子电流的预测转矩基于时刻k+1处的定子电流的预测值对发电机转矩和磁链进行计算。
[0016] 进一步地，根据最佳特性曲线法采用最大风能跟踪方法确定电磁转矩设定值具体为：根据最佳特性曲线法，永磁风力发电机
最大转矩表示为：
[0017]
[0018] 式中，ρ为空气
密度；R为风机
叶片半径；ωropt为最大转矩对应的发电机转子最优机械
角速度，Cpmax为最大
风能利用系数，λopt为最优叶尖速比；在风电系统不同工作情况下采用最大风能跟踪模
块,根据上述公式得到最大风能跟踪模块输出值作为电磁磁矩设定值[0019] 进一步地，计算得到定子有功电流设定值具体为：根据六相永磁同步发电机损耗模型计算六相多绕组永磁同步发电机在dq坐标系下稳态电压及电流，根据dq坐标系下稳态电压及电流得到发电机的损耗Ploss，根据系统效率最优运行点为发电机损耗的极值点dPloss/diwd＝0，计算得出定子有功电流值设定值。
[0020] 进一步地，性能评价函数表示为：
[0021]
[0022] 式中，K1为转矩的权重系数，表示为K1＝1/Tr2，Tr为发电机额定转矩；K2为定子电流的权重系数，表示为 Ir为发电机定子额定电流，ηi为常数，取值范围通常为0.8～1.2， 为电磁转矩设定值，iwd为定子有功电流值， 为定子有功电流设定值。
[0023] 本发明与
现有技术相比，有益效果在于：
[0024] 本发明优化模型预测直接转矩控制，通过预测定子有功电流得到发电机电磁转矩的预测值，提高了转矩预测的精度，有效地降低了系统转矩脉动，有利于延长风机的使用寿命。基于最小损耗设计原理的效率优化性能评估函数可以在提高系统响应速度的同时，选择合适的
开关矢量来实现系统的实时运行效率优化。
附图说明
[0025] 图1为六相双Y移30°永磁风力发电机变流器拓扑图；
[0026] 图2为基于模型预测直接转矩控制的整体流程步骤图；
[0027] 图3风能利用系数Cp与叶尖速比λ关系；
[0028] 图4为六相永磁风力发电机组转矩输出特性曲线；
[0029] 图5为模型预测直接转矩控制系统
框图；
[0030] 图6为六相电机在dq坐标下的双绕组等效电路(a)为d轴等效电路，(b)为q轴等效电路；
[0031] 图7为dq坐标系下六相永磁同步发电机简化损耗模型电路(a)d轴等效电路，(b)q轴等效电路；
[0032] 图8为效率优化的模型预测直接转矩控制系统框图。
具体实施方式
[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034] 参见图2所示，一种基于模型预测的多相绕组永磁风力发电机效率优化方法，通过对定子有功电流设定值、电磁转矩设定值设计性能评价函数，使系统能保持着最小损耗下运行，包括如下的步骤：
[0035] (1)根据发电机设计理论及多相绕组电路等效方法，构建六相永磁同步发电机损耗模型；
[0036] (2)在模型预测直接转矩控制基础上结合六相永磁同步发电机损耗模型，定义定子有功电流预测值；
[0037] (3)根据定子有功电流预测值对发电机电磁转矩和磁链进行计算，得到电磁转矩和磁链预测值；
[0038] (4)通过求取系统最小损耗工作点得到定子有功电流设定值；
[0039] (5)将定子有功电流设定值结合最佳特性曲线的最大风能跟踪方法确定电磁转矩设定值；
[0040] (6)根据电磁转矩和磁链给定值与预测值之间偏差最小的原则，选取最优电压矢量建立性能评价函数，利用电磁转矩设定值和定子有功电流设定值对性能评价函数进行计算。
[0041] 进一步地，搭建六相永磁同步发电机损耗模型，模型搭建通过Park变换以及Clarke变换，建立永磁同步六相电机在dq坐标下的双绕组等效电路，运用电路中的戴维南等效定理继续简化双绕组等效电路后，得到dq坐标系下六相永磁同步发电机简化损耗模型电路。
[0042] 进一步地，在模型预测直接转矩控制基础上结合六相永磁同步发电机损耗模型，定义定子有功电流预测值，包括:电流传感器检测发电机当前时间电流，经过Park变换以及Clarke变换在dq坐标系中获得k时刻的定子电流值，同时，转速传感器检测到k时刻的转子转速，并根据k时刻的定子电流值和k时刻的转子转速两个值对k+1次的定子电流进行预测得到k+1次的定子电流的预测值，定子电流的预测转矩基于时刻k+1处的定子电流的预测值对发电机转矩和磁链进行计算。
[0043] 进一步地，根据最佳特性曲线法采用最大风能跟踪方法确定电磁转矩设定值具体为：根据最佳特性曲线法，永磁风力发电机最大转矩表示为：
[0044]
[0045] 式中，ρ为空气密度；R为风机叶片半径；ωropt为最大转矩对应的发电机转子最优机械角速度，Cpmax为最大风能利用系数，λopt为最优叶尖速比；在风电系统不同工作情况下采用最大风能跟踪模块,根据上述公式得到最大风能跟踪模块输出值作为电磁磁矩设定值[0046] 进一步地，计算得到定子有功电流设定值具体为：根据六相永磁同步发电机损耗模型计算六相多绕组永磁同步发电机在dq坐标系下稳态电压及电流，根据dq坐标系下稳态电压及电流得到发电机的损耗Ploss，根据系统效率最优运行点为发电机损耗的极值点dPloss/diwd＝0，计算得出定子有功电流值设定值。
[0047] 进一步地，性能评价函数表示为：
[0048]
[0049] 式中，K1为转矩的权重系数，表示为K1＝1/Tr2，Tr为发电机额定转矩；K2为定子电流的权重系数，表示为 Ir为发电机定子额定电流，ηi为常数，取值范围通常为0.8～1.2， 为电磁转矩设定值，iwd为定子有功电流值， 为定子有功电流设定值。
[0050] 详细说明如下：
[0051] 风力机通过桨叶把风能转
化成机械能，设风力机扫风面积为S，空气密度为ρ，风速为vw，按照贝兹原理，风力机从风中捕获的机械功率为：
[0052]
[0053] 其中
[0054]
[0055] 在上式中，Cp(λ,β)为风力机的风能利用系数，反映风力机将风能转换为机械能的效率，它是叶尖速比λ和桨叶
节距角β的函数。
[0056] 由于风力机输出转矩可由捕获功率Pw与转子机械角速度ω的比值表示，将式(2)代入式(1)并
整理，可得风力机输出转矩为
[0057]
[0058] 根据最佳特性曲线法，风速变化时，只需控制发电机转速使λ保持在图3的极值点所对应的λopt处就可以使得风能利用系数达到最大值Cpmax，即风力机处在最佳工作点。永磁风力发电机最大输出转矩可表示为：
[0059]
[0060] 式中，ρ为空气密度；R为风机叶片半径；ωropt为最大转矩对应的发电机转子最优机械角速度，Cpmax为最大风能利用系数，λopt为最优叶尖速比。在风电系统不同工作情况下结合公式(4)引入最大风能跟踪模块，以该模块输出值作为转矩设定值
[0061] 风力机转矩输出特性曲线见图4，在不同风速下，Tmax和ω关系如图4中点划线所示。当风速变化时，通过控制发电机转速使风力机运行在图中虚线上即可实现最大风能跟踪。
[0062] 将模型预测控制与直接转矩控制相结合，可以有效地抑制发电机转矩脉动。实现过程为电流传感器检测发电机k时间(当前时刻)电流，经过Park变换以及Clarke变换在dq坐标系中获得k时刻的定子电流值。同时，转速传感器检测到k时刻的转子转速，并根据上述两个值对k+1次(下一时刻)的定子电流进行预测，定子电流的预测转矩基于时刻k+1处的定子电流的预测值对发电机电磁转矩和磁链进行计算，根据电磁转矩和磁链给定值与预测值之间偏差最小的原则，选取最优电压矢量建立评估函数，从而实现对变流器的控制。根据减小磁链和转矩脉动的原则，选取的性能评估函数g为：
[0063]
[0064] 式中：A1、A2分别为转矩项和磁链项的权重系数； 为磁链给定值；转矩设定值不再由转速误差经过PI调节器给定，而是根据风电系统的具体参数结合式(4)引入最大风能跟踪模块，以该模块输出作为转矩设定值。具体评估流程见图5。
[0065] 搭建六相永磁同步发电机损耗模型
[0066] 永磁同步
电动机的损耗主要包括：定子绕组
铜损耗、定转子
铁心损耗、风摩擦损耗和机械摩擦损耗、杂散损耗。定子绕组的铜损耗主要由线圈直流
电阻引起的损耗和高频交变
磁场趋肤效应引起的高频附加损耗两部分组成。绕组高频附加损耗可以通过
有限元分析，根据电动机的工作
频率、绕组
导线的尺寸和槽内的布置
位置等多种因素来计算。定子和转子铁心损耗是由定子和转子铁心的
涡流效应引起的损耗。电机铁损主要集中在定子侧，定子侧铁损占总铁损的95％以上。转子铁损主要是涡流损耗。损耗主要集中在
永磁体和转子表面。虽然这部分损耗相对较小，但由于转子
散热条件差，对于表贴式电机来说转子铁耗处理不好容易导致转子温升过高导致永磁体退磁。
[0067] 在本发明中首先通过Park变换以及Clarke变换，建立起永磁同步六相电机在dq坐标下的双绕组等效电路(见图6)。考虑到等效铁损电阻，再运用电路中的戴维南等效定理继续简化双绕组等效电路后，得到dq坐标系下六相永磁同步发电机简化损耗模型电路，见图7。
[0068] 通过建立损耗模型可以对永磁同步发电机
能量转换过程进行深入分析，六相多绕组永磁同步发电机在dq坐标系下稳态电压及电流方程为：
[0069]
[0070]
[0071]
[0072] dq坐标系下的定子磁链分量ψd、ψq为
[0073]
[0074] 电磁转矩表达式为
[0075] Te＝3np[(Ld-Lq)idiq+iqψf] (10)
[0076] 永磁同步发电机的铁损耗、铜损耗为
[0077]
[0078]
[0079] 永磁同步发电机的损耗为
[0080] Ploss＝PCu+PFe (13)
[0081] 由(10)可得
[0082]
[0083] 本发明仅考虑铁损耗和铜损耗等可控损耗，则发电机的损耗Ploss与d轴有效电磁转矩电流iwd的关系为：
[0084]
[0085] 式中，Rs为定子绕组电阻；L为等效电感；np为电机极对数；ψf为转子磁链值；ω为发电机转子机械角速度。id、iq分别为定子电流的d、q轴分量；ud、uq分别为定子电压的d、q轴分量；iwd、iwq分别为有效电磁转矩电流的d、q轴分量；
[0086] 考虑发电机损耗的模型预测直接转矩控制
优化算法：
[0087] 考虑到永磁同步发电机在运行过程中的动态损耗，定义改进后的定子有功电流预测值，并利用该预测值得到转矩和磁链预测值。若
采样周期足够小，Ts为采样时间，则：
[0088]
[0089] 此时对应的动态电压方程为：
[0090]
[0091] 将公式(16)代入(17)中，并与公式(7)进行联立可以得到k时刻式离散化方程为：
[0092]
[0093] 由式(7)和式(8)可得，永磁同步发电机在dq坐标系下有效电磁转矩电流与定子电流间的关系：
[0094]
[0095] 将(18)和式(19)相结合即可对定子电流k+1时刻有功电流值进行预测，并依据永磁发电机dq坐标系下定子磁链分量、电磁转矩与有效电磁转矩电流的关系计算得出k+1时刻发电机转矩与磁链的预测值分别为：
[0096]
[0097] Te(k+1)＝3npψfiwq(k+1) (21)
[0098] 从降低发电机损耗的角度考虑永磁风力发电机组的控制精度与效率最优问题，需以降低转矩脉动与损耗最小为目标选取性能评价函数。当系统处于稳定状态时，ω和Te为常数，由发电机损耗公式可得，发电机总损耗仅与定子有功电流值iwd相关，此时系统效率最优运行点为发电机损耗的极值点，即dPloss/diwd＝0，由此可以得出定子有功电流设定值的表达式：
[0099]
[0100] 将式(22)计算值作为d轴有功电流的设定值 此时永磁同步风力发电机组的设计性能评估函数可表示为：
[0101]
[0102] 式中，K1为转矩的权重系数，可表示为K1＝1/Tr2，Tr为发电机额定转矩；K2为定子电流的权重系数，表示为 Ir为发电机定子额定电流，ηi为常数，取值范围通常为0.8～1.2，而转矩设定值 由式(4)确定，效率优化系统框图见图8。
[0103] 当发电机平稳运行时，通过本发明可使得发电机的铜损和铁损得到减少。考虑损耗因素的模型预测直接转矩控制效率优化策略提高了转矩预测值的准确性，减小了转矩脉动，提高了发电机的能量转换效率。在性能评估函数中，直接对定子有功电流进行预测控制，从而减少了所需的运行时间。对于小功率应用场合，变流器损耗和发电机不可控损耗在发电机系统总损耗中所占的比例很小，可以忽略不计，因而提升发电机运行效率就可使整个发电系统的效率得到有效提升，所以通过使用优化效率的MPDTC在降低转矩脉动、提高系统鲁棒性和提升系统效率方面具有可靠性和有效性。
[0104] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
