雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲控制研究

李踐飛，張敬南，簡杰

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雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲控制研究

李踐飛1，張敬南2，簡杰2

(1. 海軍潛艇學(xué)院動(dòng)力操縱系舵信教研室，山東青島 266042；2. 哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001)

針對應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的雙饋異步發(fā)電機(jī)，構(gòu)建了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。結(jié)合風(fēng)力機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系，采用速度負(fù)反饋控制代替有功功率負(fù)反饋控制，簡化了調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計(jì)過程。將有功和無功控制上的耦合項(xiàng)通過前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了基于定子磁鏈定向的功率解耦控制。利用雙饋異步電機(jī)運(yùn)行可逆性，通過雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速跟蹤控制過程中最大風(fēng)能捕獲的快速跟隨性能。基于仿真軟件構(gòu)建仿真模型仿真進(jìn)行了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大風(fēng)能捕獲控制和功率解耦控制的仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)控制策略和參數(shù)的正確性與有效性。

雙饋異步發(fā)電機(jī) 風(fēng)力發(fā)電 定子磁鏈定向 最大風(fēng)能捕獲 解耦控制

0 引言

面對能源的日益枯竭和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，作為一種清潔的可再生能源，風(fēng)能的開發(fā)利用在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展[1,2]。在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，雙饋步發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢[3,4]。相對于直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)，雙饋異步發(fā)電機(jī)的定子直接并入電網(wǎng)，通過轉(zhuǎn)子側(cè)雙向變頻器進(jìn)行控制，所需變頻器容量只是機(jī)組的轉(zhuǎn)差功率，使得整機(jī)成本大大降低，在新能源發(fā)電領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

本文基于雙饋異步發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行原理，建立了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型。采用設(shè)計(jì)具有前饋解耦的矢量控制進(jìn)行功率解耦控制設(shè)計(jì)。基于電機(jī)運(yùn)行可逆原理并結(jié)合最大風(fēng)能捕獲曲線和進(jìn)行最大風(fēng)能捕獲跟蹤控制的研究。在仿真軟件Matlab/Simulink中搭建了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型并進(jìn)行了仿真研究。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型

1.1 雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行基本原理

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中風(fēng)力機(jī)通過齒輪箱與雙饋異步發(fā)電機(jī)相連，雙饋異步發(fā)電機(jī)的定子直接并入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)相連。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理圖

電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁勢與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁勢都是相對靜止、同步旋轉(zhuǎn)的，對于雙饋發(fā)電機(jī)有：

式中，1為定子繞組電流頻率，2為轉(zhuǎn)子繞組電流頻率，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，p為電機(jī)的極對數(shù)。其中，“+”用于亞同步運(yùn)行，“-”用于超同步運(yùn)行，后者要求轉(zhuǎn)子繞組相序與定子相反。

根據(jù)式（1），當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時(shí),可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的供電頻率2保持1不變，即保證定子饋電頻率不變,與電網(wǎng)一致，從而實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制[5]。

1.2 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型與輸出功率曲線

根據(jù)貝茲(Betz)理論，對于半徑為的風(fēng)力機(jī)，在風(fēng)速下運(yùn)行所產(chǎn)生的機(jī)械功率為[6]：

式中，為空氣密度，C為風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)。風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)又稱為風(fēng)能利用系數(shù)，是與風(fēng)速、葉片轉(zhuǎn)速、葉片直徑均有關(guān)系的量。

在不考慮葉片轉(zhuǎn)速和直徑的條件下，為對葉片性能作更普遍的討論，定義出風(fēng)力機(jī)的另一個(gè)重要參數(shù)葉尖速比，即葉片的葉尖線速度與風(fēng)速之比：

由式（3）可知，在風(fēng)速給定的情況下，風(fēng)輪獲得的功率將取決于功率系數(shù)。在任何風(fēng)速下，如果風(fēng)力機(jī)都能在C下運(yùn)行，便可以獲得最大輸出功率，即實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。圖2為不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率曲線，從下到上風(fēng)速依次增加。

1.3 雙饋異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

雙饋異步發(fā)電機(jī)定子側(cè)采用發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動(dòng)機(jī)慣例，在坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型。

定、轉(zhuǎn)子電壓方程：

定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程：

電磁轉(zhuǎn)矩方程與運(yùn)行方程：

定子側(cè)有功、無功功率可寫為：

其中，L、L、L分別為定、轉(zhuǎn)子等效自感及互感，R、R分別為定、轉(zhuǎn)子繞組各相電阻，u、u、u、u分別為定、轉(zhuǎn)子電壓的軸和軸分量，i、i、i、i分別為定、轉(zhuǎn)子電流的軸和軸分量，ψ、ψ、ψ、ψ分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈的軸和軸分量，、分別為發(fā)電機(jī)的同步角速度和轉(zhuǎn)差角速度，T為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，T為電磁轉(zhuǎn)矩，為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為微分算子。

圖2 風(fēng)力機(jī)輸出功率曲線

2 最大功率輸出矢量控制設(shè)計(jì)

基于轉(zhuǎn)子側(cè)變換器進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：（1）實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲的跟蹤控制；（2）實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有功功率和無功功率的解耦控制。

根據(jù)控制目標(biāo)，確定以下控制思想。

首先，為了突出研究重點(diǎn)，假設(shè)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子接于無限大電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用基于定子磁鏈定向的矢量控制[7]。則有

第二，基于1.2所述發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行矢量控制設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)子電壓方程耦合項(xiàng)作為前饋環(huán)節(jié)提出，使閉環(huán)控制系統(tǒng)前向通道實(shí)現(xiàn)控制解耦。

其中：

根據(jù)式（10），有功、無功功率分別與定子電流在、軸上的分量成正比，根據(jù)

定子、軸電流與轉(zhuǎn)子、軸電流成線性關(guān)系，故通過轉(zhuǎn)子、軸電流控制便可實(shí)現(xiàn)有功功率、無功功率的解耦控制。

第三，由于期望實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制，一定風(fēng)速下，可以捕獲的最大風(fēng)能對應(yīng)了一特定轉(zhuǎn)速，所以將有功功率的變化為根據(jù)風(fēng)速情況變化為轉(zhuǎn)速給定控制。

綜上三點(diǎn)，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。圖中，ASR、AQR、ACqR、ACdR分別為對應(yīng)最大功率控制的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、無功功率調(diào)節(jié)器、軸分量電流調(diào)節(jié)器和軸分量電流調(diào)節(jié)器。

基于前饋解耦后雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，調(diào)節(jié)器參數(shù)可以基于工程設(shè)計(jì)法進(jìn)行的設(shè)計(jì)[9]，在此不再贅述。

3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制仿真研究

結(jié)合仿真軟件Simulink構(gòu)建雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)參數(shù)主要包括：雙饋發(fā)電機(jī)參數(shù)：額定功率2 MW，額定電壓690 V，頻率50 Hz，極對數(shù)2，定子電感2.447 mH，轉(zhuǎn)子電感2.452 mH，定轉(zhuǎn)子互感2.391 mH，定子電阻0.912 mW，轉(zhuǎn)子電阻1.04 mW。風(fēng)力機(jī)參數(shù)：風(fēng)葉半徑=36 m，齒輪箱速比= 66，最佳葉尖速比=7.2，最佳風(fēng)能利用系數(shù)C=0.44。

控制仿真工況為仿真時(shí)間為6 s時(shí)，風(fēng)速由10 m/s階躍到12 m/s，輸出無功功率給定值為零。仿真曲線如圖4所示。

根據(jù)圖4中所示各個(gè)功率情況，定子輸出有功功率為總機(jī)械功率和轉(zhuǎn)差功率的合成，與雙饋電機(jī)原理所述功率關(guān)系一致。

圖3 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制框圖

圖4（a）中最大風(fēng)能捕獲期望值為對應(yīng)了圖2所示C下運(yùn)行最大功率輸出值，圖4（a）中發(fā)電機(jī)端輸入機(jī)械功率為風(fēng)機(jī)實(shí)際輸出的功率。根據(jù)仿真結(jié)果，風(fēng)機(jī)輸出功率在風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能捕獲過程中體現(xiàn)了很好的跟隨性能，實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能捕獲的要求。

根據(jù)圖4（b）所示有功功率的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)速發(fā)生階躍變化的期間,雙饋發(fā)電機(jī)通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換，由發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收有功功率加速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的過程，從而實(shí)現(xiàn)最大功率的快速跟蹤。圖4（d）所示定子A相電壓和電流相位關(guān)系的變化也正確的體現(xiàn)出功率傳遞方向的變化。

(a)風(fēng)能捕獲期望值和發(fā)電機(jī)輸入功率

(b) 定子輸出的有功功率和無功功率

(c) 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差功率

(d) 定子A相電壓與A相電流

圖4 風(fēng)速變化時(shí)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真圖

根據(jù)6~7.2 s所示的仿真曲線，發(fā)電系統(tǒng)依靠發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的快速變化需要電網(wǎng)提供較大的有功功率，所以這種控制在船舶或孤島等獨(dú)立電力系統(tǒng)中不適合應(yīng)用。這一點(diǎn)在此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)是應(yīng)該引起注意。

為了顯示清晰，圖4（b）仿真曲線有功功率單位采用MW，無功功率單位采用了kVar。根據(jù)仿真結(jié)果，定子有功功率發(fā)生變化時(shí),定子無功功率基本不變,保持無功功率控制給定為零的要求，實(shí)現(xiàn)了有功、無功的解耦控制。另外，從圖4（d）所示電壓、電流相位關(guān)系很好地驗(yàn)證其實(shí)現(xiàn)了零無功功率輸出的控制要求。

4 結(jié)論

通過對雙饋異步發(fā)電機(jī)定子磁鏈定向矢量控制的設(shè)計(jì)與仿真分析，獲得了以下結(jié)論：

首先，采用具有前饋補(bǔ)償?shù)亩ㄗ哟沛湺ㄏ蚴噶靠刂疲瑢?shí)現(xiàn)了雙饋發(fā)電機(jī)組有功功率和無功功率的解耦控制；

第二，結(jié)合發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換提升了轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)速度，進(jìn)而提升了風(fēng)電機(jī)組的最大風(fēng)能捕獲控制的性能，有效實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能追蹤；

第三，采用轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)代替功率控制系統(tǒng)便于實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的正確性。

[1] 程啟明, 程尹曼, 王映斐等. 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展綜述[J]. 自動(dòng)化儀表, 2012, 33（1）: 1-8.

[2] 李輝, 薛玉石, 韓力. 并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展綜述［J］. 微特電機(jī), 2009, 37（5）: 55-61.

[3] 余健明, 王猛, 李陽陽.基于MATLAB/SIMULINK的并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型的研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2010,26(1): 81-86.

[4] 劉毅, 譚國俊, 劉敏等. 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制研究[J]. 電力電子技術(shù), 2011, 45(7): 22-23, 36.

[5] 張海龍, 曾寧春, 付強(qiáng). 基于變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J]. 電力科學(xué)與工程. 2010, 26(12): 1-3.

[6] 姚興佳, 趙希梅, 郭慶鼎等. 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大風(fēng)能追蹤控制[J]. 電氣傳動(dòng), 2012, 42(7): 57-60, 80.

[7] 黃維學(xué), 方濤. 大兆瓦雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)控制研究[J]. 一重技術(shù), 2011(5): 4-7.

Maximum Wind Energy capture of Doubly-fed Wind Power Generating System

Li Jianfei1, Zhang Jingnan2, Jian Jie2

(1. Auto-rudder & Signal Teaching and Research Section, Navy Submarine Academy, Qingdao 266042, China; 2. College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

2013-11-07

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2012RFQXG084）；哈爾濱工程大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（HEUCFZ1305）

李踐飛（1973-），男，碩士，講師。研究方向：通信與信息工程。張敬南(1975-)，男，博士，副教授，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

TM343

A

1003-4862（2014）04-0001-04