半直驅風電系統最大功率跟蹤和變槳距集成控制

劉廣忱，王生鐵，張 鴻，田桂珍

(內蒙古工業大學，內蒙古呼和浩特 010080)

0 引 言

并網風力發電是近十年來國際上發展速度最快的可再生能源技術之一，年均增長率超過25%，2010年底總裝機容量達到 194.4 GW［1］。目前，主流風力發電系統(WPGS)可分為基于雙饋感應發電機(DFIG)的齒輪驅動型WPGS和基于永磁同步發電機(PMSG)的直接驅動型WPGS兩類。前者由于仍然有滑環和電刷，必須定期檢修，后期維護工作量大，且不大適合在比較惡劣的環境下運行，一定程度上降低了系統的可靠性;而后者雖然減少了齒輪箱故障，降低了維護費用，但由于直接耦合，PMSG的轉速很低，導致PMSG體積龐大，且造價較高。為了克服上述兩種WPGS的缺點，芬蘭的WinWinD公司提出了一種采用一級齒輪增速和多極中速PMSG的新型WPGS，即所謂的半直驅型WPGS(MWPGS)。該WPGS兼具直驅型WPGS的可靠性及傳統多級高速齒輪增速系統的緊湊性，并可顯著降低發電機成本、提高發電機效率［2－4］。

MWPGS的結構如圖1所示，它包括兩個背靠背的全功率PWM變換器，其控制系統主要包括:機側變換器控制、網側變換器控制、變槳距控制和偏航控制。其中，機側變換器實現發電機側有功、無功功率的解耦控制和最大功率跟蹤控制［5－11］;網側變換器實現輸出有功、無功功率的解耦控制和實現低電壓穿越［12－16］;變槳距控制限制輸出功率，使機組安全穩定運行［17－20］;偏航控制實現風輪跟蹤風向及自動解纜控制。

圖1 半直驅風力發電系統結構圖

本文主要研究最大功率跟蹤和變槳距的集成控制策略，以期在隨機風速和風力機工況頻繁切換條件下，實現半直驅風力發電系統優化及可靠運行。

1 半直驅風電系統機側部分數學模型

1.1 風力機模型

由流體力學可知，風力機從風中捕獲的功率:

Cp(λ，β)是葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數，可表示［13］:

由式(2)可得風力機風能利用系數特性曲線Cp(λ，β)，如圖2 所示。

圖2 風能利用系數曲線

由于變槳系統可以獨立控制槳距角β，當風速大于切入風速而小于額定風速時，通常控制β=0°。從圖2可以看出，此時存在且僅存在唯一葉尖速比λm對應于風能利用系數 Cp(λ，β)的最大值 Cpmax，即最佳葉尖速比。因此，當風速小于額定風速時，如果控制λ=λm，則Cp=Cpmax，即實現最大風能捕獲。由圖2中還可發現，Cp(λ，β)隨 β的增大而減小。因此，當風速高于額定風速而小于切出風速時，可以通過增大β以降低Cp(λ，β)，減少風能捕獲，從而控制輸出功率恒定。

1.2 機械傳動鏈模型

將增速齒輪箱和發電機轉子的轉動慣量折算到風輪轉子側，并假設傳動系統的阻力全部集中于風輪主軸上，且主軸為剛性軸，則半直驅風力發電機組機械傳動鏈的運動方程:

式中:Tm為折算到高速軸上的等效機械轉矩;Te為發電機電磁轉矩;J為折算到高速軸上的系統總轉動慣量;F為系統總粘滯摩擦系數。

1.3 永磁同步發電機模型

在d－q同步旋轉坐標系下，將d軸定向于轉子磁場方向，q軸超前d軸90°，則永磁同步發電機的定子電壓方程可表示［21］:

式中:ud、uq分別為定子電壓的d軸和q軸分量;Ld、Lq分別為d軸和q軸等效電感;id、iq分別為定子電流的d軸和q軸分量;p為微分算子;Rs為每相定子繞組上的電阻;ωe為發電機的電角速度;ψf為轉子永磁體磁鏈。

采用id=0的控制方式，發電機的電磁轉矩可表示:

式中:Np為永磁體極對數。

1.4 變槳距執行機構模型

變槳距執行機構有電動和液壓兩種，目前多采用電動執行機構。為研究方便，將模型簡化為一個一階慣性環節，則變槳距執行機構傳遞函數［22］:

式中:Tβ為變槳距機構時間常數;βref為參考槳距角。

2 最大功率跟蹤和變槳距集成控制策略

2.1 集成控制原理

風能具有隨機性，風力機總是處于所有可能風速決定的不同工況，并進行較為頻繁的切換。集成控制策略實現最大功率跟蹤(MPPT)控制和變槳距控制的集成，在可用風速范圍內(切入風速＜風速＜切出風速)，針對風況的不同，對半直驅風力發電系統采用不同的控制策略，以最大限度地獲取風能及保證風電系統的可靠運行。集成控制結構如圖3所示。

由圖3可知，集成控制策略以轉速控制為基礎，以風速滯環判斷為條件，針對不同工況，采取相應的控制策略。當風速小于額定值時，切入MPPT控制。此時轉速環給定由最大功率控制模塊提供，同時變槳距控制將β為零;當風速大于額定值時，進行變槳距控制。此時轉速環給定為恒定量;當風速在額定風速附近波動時，滯環比較器可以防止風電機組在上述兩種工作模態之間頻繁切換。

圖3 最大功率跟蹤和變槳距集成控制結構圖

2.2 轉速控制

發電機的轉速控制結構如圖4所示。由圖中可知，系統采用轉速外環、電流內環的雙閉環控制結構，經過PI調節和電壓前饋補償得到參考電壓指令。該指令通過利用電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術控制變換器中各開關管的通、斷，以調節發電機定子電流，進而調節發電機的電磁轉矩，最終實現對風電機組轉速的控制。

圖4 發電機轉速控制結構圖

2.3 最大功率跟蹤控制

常用的MPPT方法有葉尖速比法(TSR)、功率信號反饋法(PSF)和爬山法(HCS)三種。其中，TSR需要同時檢測風速和發電機轉速，并通過控制使葉尖速比維持最優值;PSF基于風機最大功率曲線進行控制，使得機組在不同發電機轉速下的輸出功率跟隨指令值;HCS通過不斷改變功率指令使機組輸出功率逐步逼近最優值。由于HCS不需要了解最大功率曲線，對參數變化不敏感，也不依賴于風速的精確測量，實現方法簡單方便，故本文采用該方法進行最大功率跟蹤控制。

HCS又分為固定步長HCS和變步長HCS。前者采用固定轉速擾動值進行爬山搜索，不能同時兼顧系統的快速性和穩定性，而后一種方法有效地解決了這一問題。因此，系統采取變步長HCS進行MPPT控制。變步長爬山法的最大功率跟蹤流程如圖5所示。

圖5 變步長最大功率跟蹤算法流程圖

其最大功率跟蹤原理為:風電機組在一給定轉速下穩定運行一定時間后，給其一個轉速擾動信號，計算當前輸出功率P(k)，并與上一控制周期的輸出功率P(k－1)比較得到ΔP，對ΔP進行判斷。若ΔP＞0且數值較大時，Δn則保持其符號不變并采用較大步長;若ΔP較小，則通過二分法將Δn減半處理，并且為保證HCS的正確性，對Δn的最小值進行了限制。若ΔP＜0，Δn則取反，反方向進行HCS。該方法可同時兼顧系統的快速性和穩定性，當輸出功率在山坡位置時，增大擾動步長，使轉速迅速跟蹤最佳轉速，而當功率接近山頂時，減小擾動步長使轉速平穩逼近最佳值。

2.4 變槳距控制

當風速大于額定風速時，受風電機組容量以及變換器容量的限制，系統將通過增大槳距角來降低Cp值，從而限制風力機捕獲風能，以控制輸出功率穩定在額定值附近并控制轉速穩定在安全運行范圍內。變槳距控制結構如圖6所示。

圖6 變槳距控制結構圖

由圖6可知，當風速高于額定風速時，將風機的輸出功率P作為反饋量與參考功率Pref比較得到ΔP，該值通過槳距角調節器調節得到槳距角指令，然后通過槳距執行機構對風力機進行槳距調節，最終使得系統輸出功率穩定在參考功率附近。

3 系統建模及仿真結果

3.1 系統模型及參數

基于上述分析，在MATLAB/Simulink環境下搭建了如圖7所示的MWPGS機側控制仿真模型。為便于對MPPT和變槳距集成控制策略的研究，將機側變換器后的模型由帶內阻的電壓源與額定負載并聯來等效。集成控制策略通過滯環比較器判斷風速變化，實現MPPT和變槳距控制之間的可靠切換。其中，滯環比較器的上限值為9.5 m/s，下限值為額 定風速9 m/s。

圖7 半直驅風電系統機側控制仿真模型

以實驗室現有實驗系統為背景，半直驅風力發電系統參數如表1所示。

表1 系統參數

3.2 仿真結果及分析

3.2.1 漸變風響應

圖8 漸變風速時風電機組集成控制響應曲線

在漸變風速條件下，半直驅風電系統集成控制響應曲線如圖8所示。從圖中可以看出，當初始風速為8 m/s時，系統進行MPPT控制，此時β=0°;7 s后，風速開始逐漸增大，當風速大于9.5 m/s時，系統切換到變槳距控制。v=12 m/s時，β=14.7°，Cp=0.18，轉速穩定在300 r/min左右，功率控制在額定值5 kW附近;當風速由12 m/s漸變到10 m/s時，通過槳距角調節，最終使得系統輸出功率穩定在額定值5 kW附近，轉速穩定在300 r/min左右。此時，槳距角 β =3.25°，Cp=0.33;當風速由10 m/s漸變到7 m/s時，經歷了變槳距控制到MPPT控制的切換，最終，β=0°，Cp值保持在最大值0.48左右，輸出功率穩定在2.6 kW附近。

3.2.2 隨機風響應

圖9 隨機風速時風電機組集成控制響應曲線

在隨機風速條件下，半直驅風電系統集成控制響應曲線如圖9所示。從圖中可以看出，1～8 s，風速小于9.5 m/s，系統進行MPPT控制;8 s時，風速大于9.5 m/s，系統切換到變槳距控制。17～18 s，風速在9 m/s和9.5 m/s之間變化，由于滯環比較器的作用，系統仍進行變槳距控制;18 s，風速小于9 m/s，系統切換到 MPPT控制;18～22 s，風速在9.5 m/s以下，系統仍進行MPPT控制;22 s，風速大于9.5 m/s，系統切換到變槳距控制;22～24 s，系統進行變槳距控制;24～30 s，系統進行MPPT控制。總之，在隨機風速作用的30 s時間內，集成控制策略在MPPT控制和變槳距控制之間進行了4次切換，獲得了較為滿意的控制效果。

4 結 語

風力發電是近十年來發展最為迅速的可再生能源發電技術。半直驅風力發電系統結合了當下兩種主流機型DFIG和PMSG的長處，具有可靠性高和成本較低的優點。本文首先建立了半直驅風力發電系統機側部分動態模型;其次，根據風能隨機性及風力機工況切換頻繁的特點，給出了半直驅風力發電系統最大功率跟蹤和變槳距的集成控制策略。這種控制策略以轉速控制為基礎，以風速滯環判斷為條件，實現不同控制模式之間的可靠切換，能夠實現半直驅風力發電系統的優化及可靠運行;最后，在MATLAB/Simulink環境下進行了仿真研究，結果表明，在漸變風和隨機風的作用下，集成控制策略能夠實現最大功率跟蹤控制和變槳距控制的可靠切換，獲得了較為滿意的控制效果，驗證了本文所論控制策略的有效性。本文的工作將有利于半直驅風力發電系統的研究、開發與應用，對其它拓撲結構風電系統的控制也有參考價值。

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