基于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制的液壓型機(jī)組功率追蹤研究

， 　,2， (.燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島　066004；2.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))， 河北 秦皇島　066004)

引言

隨著風(fēng)力機(jī)大型化進(jìn)程的推進(jìn)[1]，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占的比重逐漸增加。為提高風(fēng)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)化效率，最佳功率追蹤[2-4]成為風(fēng)電機(jī)組亟待解決的重要難題，也是機(jī)組運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最佳功率追蹤做了一系列研究。針對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，文獻(xiàn)[5]中論述采用滑模控制算法和模糊控制理論，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)控制增益系數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組最佳功率追蹤；文獻(xiàn)[6]中論述通過(guò)最佳電磁轉(zhuǎn)矩給定和轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)組最佳功率追蹤；文獻(xiàn)[7]中論述采用自適應(yīng)控制算法，通過(guò)對(duì)擾動(dòng)的觀察控制完成機(jī)組最佳功率追蹤控制。分析上述研究可知，雙饋型和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為傳統(tǒng)機(jī)型，其最佳功率追蹤控制的核心是變流逆變裝置[8，9]，而本研究中的液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種新型機(jī)型，省去了變流逆變裝置。因此，其最佳功率追蹤控制方法與傳統(tǒng)機(jī)型存在本質(zhì)區(qū)別。針對(duì)液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，浙江大學(xué)李偉[10]教授團(tuán)隊(duì)采用變量泵-變量馬達(dá)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)變量泵和變量馬達(dá)的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)組最佳功率追蹤；燕山大學(xué)孔祥東[11]教授團(tuán)隊(duì)采用定量泵-變量馬達(dá)閉式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，提出了一種變步長(zhǎng)的最佳功率追蹤控制方法。

目前針對(duì)液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最佳功率追蹤的文獻(xiàn)鮮見(jiàn)，為進(jìn)一步研究其控制機(jī)理，本研究提出一種直接風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制的最佳功率追蹤控制方法。該方法通過(guò)控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，從功率傳輸?shù)脑搭^上對(duì)風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)能進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)最佳功率追蹤控制。

1　液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組簡(jiǎn)介

本研究中的液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[12，13](以下簡(jiǎn)稱(chēng)液壓型機(jī)組)采用定量泵-變量馬達(dá)液壓調(diào)速系統(tǒng)，其工作原理如圖1所示。

圖1　液壓型機(jī)組工作原理圖

由圖1可知，機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)、定量泵、變量馬達(dá)、同步發(fā)電機(jī)等組成。風(fēng)力機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)定量泵輸出高壓油，經(jīng)定量泵-變量馬達(dá)液壓調(diào)速系統(tǒng)傳輸后，推動(dòng)變量馬達(dá)旋轉(zhuǎn)工作。同步發(fā)電機(jī)在變量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下完成并網(wǎng)發(fā)電。

機(jī)組在工作過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)控制變量馬達(dá)擺角，調(diào)整系統(tǒng)壓力對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制及并網(wǎng)后的最佳功率追蹤控制。

2　數(shù)學(xué)模型

2.1　風(fēng)力機(jī)特性數(shù)學(xué)模型

依據(jù)機(jī)組工作原理，風(fēng)力機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的能量捕獲機(jī)構(gòu)，其輸出功率和轉(zhuǎn)矩[14]分別為：

(1)

(2)

式中：P—— 風(fēng)力機(jī)輸出功率，W

ρ—— 氣流密度，kg/m3

R—— 葉片半徑，m

T—— 風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m

Cp—— 風(fēng)能利用系數(shù)

ω—— 風(fēng)力機(jī)角速度，rad/s

v—— 風(fēng)速，m/s

由式(1)和式(2)可得，一定風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)輸出功率和氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律如圖2所示。

圖2　風(fēng)力機(jī)特性曲線

由圖2可知，當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在最佳轉(zhuǎn)速nopt時(shí)，其輸出功率最佳。風(fēng)力機(jī)輸出功率和氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律主要取決于風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ,β)的變化。風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ,β)表示風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率。

2.2　液壓調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

液壓型機(jī)組功率傳輸系統(tǒng)由定量泵-變量馬達(dá)閉式容積回路組成，其原理如圖3所示。

圖3　液壓調(diào)速容積回路

依據(jù)機(jī)組工作原理，建立定量泵-變量馬達(dá)調(diào)速回路數(shù)學(xué)模型[15]。其中，風(fēng)力機(jī)(定量泵)角速度數(shù)學(xué)模型為：

(3)

式中：Dp—— 定量泵排量，m3/rad

ωp—— 定量泵角速度，rad/s

V0—— 單個(gè)腔室的總?cè)莘e，m3

Dm0—— 變量馬達(dá)最大排量，m3/rad

ωm—— 變量馬達(dá)角速度，rad/s

ωm0——ωm為初始值

βe—— 有效體積彈性模量，Pa

γ—— 變量馬達(dá)斜盤(pán)擺角與其最大擺角比值

γ0為γ的初始值

Jp—— 定量泵與負(fù)載總慣量，kg·m2

Km—— 變量馬達(dá)排量梯度，m3/rad

Km0為Km的初始值

Bp—— 定量泵側(cè)黏性阻尼系數(shù)，N·s/m

Ct—— 總泄漏系數(shù)， m3/(s·Pa)

變量馬達(dá)角速度數(shù)學(xué)模型為：

(4)

式中：Tm—— 變量馬達(dá)負(fù)載力矩，N·m

Bm—— 變量馬達(dá)側(cè)黏性阻尼系數(shù)，N·s/m

3　控制方法

3.1　控制方法研究

由上述數(shù)學(xué)模型分析，結(jié)合機(jī)組工作原理可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最佳功率追蹤的實(shí)質(zhì)是對(duì)機(jī)組發(fā)電功率的主動(dòng)控制，即對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的主動(dòng)控制，保證其工作在最佳轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)最佳功率追蹤控制。因此可以通過(guò)直接控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳功率追蹤控制。考慮到定量泵與風(fēng)力機(jī)剛性同軸連接，故對(duì)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的直接控制也是對(duì)定量泵轉(zhuǎn)速的控制。

基于上述分析，本研究提出了一種直接風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制的最佳功率追蹤方法，其控制框圖如圖4所示。

直接風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制的最佳功率追蹤方法主要包括三個(gè)控制環(huán)：擺角基準(zhǔn)控制環(huán)、馬達(dá)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償環(huán)和功率追蹤控制環(huán)。其中，擺角基準(zhǔn)控制環(huán)采用功率平衡原理，用于變量馬達(dá)擺角的初步設(shè)定；馬達(dá)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償環(huán)對(duì)機(jī)組輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行補(bǔ)償控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制；功率追蹤控制環(huán)用于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的直接控制，使其穩(wěn)定為最佳轉(zhuǎn)速，最終完成功率追蹤。

3.2　控制率分析

由液壓型機(jī)組工作原理可知，機(jī)組在工作過(guò)程中，僅有變量馬達(dá)擺角一個(gè)控制變量。因此，為實(shí)現(xiàn)機(jī)組最佳功率追蹤控制，需對(duì)機(jī)組控制率即變量馬達(dá)擺角給定進(jìn)行深入分析。

1) 控制率基準(zhǔn)給定

由機(jī)組工作原理可知，定量泵(風(fēng)力機(jī))作為整個(gè)機(jī)組能量傳輸?shù)脑搭^，因此可以從定量泵到變量馬達(dá)(發(fā)電機(jī))的功率平衡角度對(duì)變量馬達(dá)擺角進(jìn)行設(shè)定。系統(tǒng)能量平衡方程為：

Dpωpphη=Kmγωmph

(5)

式中：η—— 機(jī)組能量傳輸效率

則變量馬達(dá)擺角基準(zhǔn)值為：

(6)

圖4　最佳功率追蹤控制框圖

上述馬達(dá)擺角基準(zhǔn)值作為擺角基準(zhǔn)控制環(huán)中變量馬達(dá)擺角值控制率的初步給定。

2) 轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制率

機(jī)組在并網(wǎng)時(shí)，需要保證變量馬達(dá)穩(wěn)定于同步轉(zhuǎn)速1500 r/min，以1500 r/min為基準(zhǔn)，將其角速度偏差折算為變量馬達(dá)擺角實(shí)施補(bǔ)償修正，具體數(shù)學(xué)模型可表示為：

(7)

式中: Δωm—— 變量馬達(dá)角速度偏差，rad/s

上述馬達(dá)擺角補(bǔ)償值作為馬達(dá)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償環(huán)中控制率的補(bǔ)償給定。

3) 功率追蹤控制率

為實(shí)現(xiàn)機(jī)組最佳功率追蹤控制，首先需要依據(jù)風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)最佳葉尖速比對(duì)風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，則有：

(8)

將風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)速作為給定，與風(fēng)力機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，將其角速度偏差Δωp折算為變量馬達(dá)擺角給定進(jìn)行功率追蹤控制，其數(shù)學(xué)模型為：

DpΔωp=-KmωmΔγ2

(9)

則功率追蹤控制率對(duì)應(yīng)的變量馬達(dá)擺角給定值為：

(10)

上述變量馬達(dá)擺角給定值作為功率追蹤控制環(huán)中控制率的給定。

綜上所述，機(jī)組在進(jìn)行最佳功率追蹤過(guò)程中，其變量馬達(dá)擺角控制率為：

γ=γ0+Δγ1+Δγ2

(11)

上式(11)中，變量馬達(dá)擺角由三部分組成，第一項(xiàng)為擺角基準(zhǔn)控制環(huán)中，由機(jī)組功率平衡折算得到的變量馬達(dá)擺角基準(zhǔn)；第二項(xiàng)為轉(zhuǎn)速補(bǔ)償控制環(huán)中用于變量馬達(dá)擺角補(bǔ)償值，用于機(jī)組的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速控制；第三項(xiàng)為功率追蹤控制環(huán)中變量馬達(dá)擺角給定值，用于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的直接控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組最佳功率追蹤。

3.3　控制結(jié)果分析

采用直接風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制的最佳功率追蹤方法，其功率追蹤過(guò)程如圖5所示。

圖5　最佳功率追蹤示意圖

圖5中Popt-n曲線表示風(fēng)力機(jī)最佳功率曲線，E、A、B三點(diǎn)分別為三種風(fēng)速(V1

假設(shè)初始風(fēng)速為V2，風(fēng)電機(jī)穩(wěn)定于最佳工作點(diǎn)A，當(dāng)風(fēng)速由V2增大為V3時(shí)，考慮風(fēng)力機(jī)為大慣量系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速不可能突變，故此時(shí)風(fēng)力機(jī)輸入功率為PC，而風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速給定對(duì)應(yīng)功率P2。顯然風(fēng)力機(jī)處于加速狀態(tài)，風(fēng)力機(jī)輸入功率沿著V3風(fēng)速下的功率特性曲線由C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最佳功率點(diǎn)B點(diǎn)，而風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速給定則沿Popt-n曲線由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最佳功率點(diǎn)B點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)輸入功率等于最佳功率給定值，系統(tǒng)重新達(dá)到平衡，風(fēng)力機(jī)組完成由V2增大為V3時(shí)的最佳功率追蹤過(guò)程。當(dāng)風(fēng)速由V2減小為V1時(shí)，機(jī)組同理完成其追蹤控制過(guò)程。

4　仿真與實(shí)驗(yàn)研究

依據(jù)液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最優(yōu)功率追蹤控制原理，以燕山大學(xué)30 kVA液壓型機(jī)組實(shí)驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究，仿真參數(shù)源于實(shí)際物理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖6所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖6　液壓型機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)變頻電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速輸出，采用上述最佳功率追蹤控制方法得到仿真實(shí)驗(yàn)曲線如圖7所示。

圖7　最佳功率追蹤仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)表

由圖7仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)風(fēng)速階躍或波動(dòng)變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速仿真和實(shí)驗(yàn)曲線最終基本均穩(wěn)定于風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)速曲線；由30 kVA風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)功率特性可知，風(fēng)力機(jī)輸出最佳功率約為4～7.8 kW[16]，考慮到機(jī)組功率傳輸效率影響，實(shí)際發(fā)電功率曲線稍低于風(fēng)力機(jī)輸入功率曲線，而實(shí)際發(fā)電功率曲線與仿真功率曲線基本保持一致，最終實(shí)際發(fā)電功率約為4～6 kW與風(fēng)力機(jī)輸入最佳功率基本一致。綜上所述，采用所提出的控制方法，風(fēng)力機(jī)能夠精確地跟隨風(fēng)速變化進(jìn)行最佳功率追蹤，具有良好的控制效果。

5　結(jié)論

通過(guò)數(shù)學(xué)建模、仿真和實(shí)驗(yàn)分析，研究液壓型機(jī)組最佳功率追蹤控制方法，主要得到以下結(jié)論：

(1) 建立了風(fēng)力機(jī)特性數(shù)學(xué)模型和液壓主傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；

(2) 以風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，提出一種直接風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制的最佳功率追蹤控制方法，并對(duì)其控制率進(jìn)行推導(dǎo)分析；

(3) 通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究，得出直接風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，最終表明該方法對(duì)最佳功率追蹤具有良好控制效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]John Kabouris，F(xiàn).D. Kanellos. Impacts of Large-Scale Wind Penetration on Designing and Operation of Electric Power Systems[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy，2010，1(2)：107-114．

[2]馬衛(wèi)東. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大功率追蹤[J]. 高壓電器，2012，48(7)：57-65．

[3]Vahid Behjat， Mehrdad Hamrahi. Dynamic Modeling and Performance Evaluation of Axial Flux PMSG Based Wind Turbine System with MPPT Control[J]. Ain Shams Engineering Journal，2014，5(4)：1157-1166.

[4]M. Nasiri, J. Milimonfared, S.H. Fathi. Modeling, Analysis and Comparison of TSR and OTC Methods for MPPT and Power Smoothing in Permanent Magnet Synchronous Generator-based Wind Turbines[J]. Energy Conversion and Management，2014，(86)：892-900.

[5]秦斌，周浩，邱麗，等. 基于模糊滑模控制的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，48(7)：993-1002.

[6]趙仁德，王永軍，張加勝. 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(27)：106-111.

[8]Ali H Kasem Alaboudy, Ahmed A Daoud, Sobhy S. Desouky, et al. Converter Controls and Ficker Study of PMSG-based Grid Connected Wind Turbines[J]. Ain Shams Engineering Journal，2013，4(1)：75-91.

[9]包廣清，王興貴. 電網(wǎng)短路狀態(tài)下并網(wǎng)逆變器的諧振控制[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，40(10)：128-131.

[10]韓利坤. 基于能量液壓傳遞的風(fēng)力機(jī)“變速恒頻”技術(shù)研究[D]. 杭州：浙江大學(xué),2012.

[11]艾超，孔祥東，閆桂山，等. 液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最優(yōu)功率追蹤控制方法研究[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2015，35(1)：25-32.

[12]孔祥東，艾超，王靜．液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動(dòng)控制系統(tǒng)綜述[J]. 液壓與氣動(dòng)，2013,(1)：1-7.

[13]Paolo Silva, Antonio Giuffrida,Nicola Fergnani, et al. Performance Prediction of a Multi-MW Wind Turbine Adopting an Advanced Hydrostatic Transmission[J]. Energy，2014，(64)：450-461.

[14]李輝，何蓓. 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能控制策略[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008，29(7)：797-803．

[15]艾超，孔祥東，陳文婷，等. 液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)速控制研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2014，35(9)：1757-1763.

[16]艾超. 液壓型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率傳輸系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2012.