基于自適應(yīng)空氣密度變化的直驅(qū)式風(fēng)機(jī)控制策略優(yōu)化分析

崔 銳，李曉江，劉國棟

(京能山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西長治046021)

基于自適應(yīng)空氣密度變化的直驅(qū)式風(fēng)機(jī)控制策略優(yōu)化分析

崔 銳，李曉江，劉國棟

(京能山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西長治046021)

為了有效改善直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線，確定在空氣密度降低的情況下，提出采用功率自適應(yīng)來優(yōu)化風(fēng)機(jī)的控制策略。利用MATLAB/SIMULINK搭建了1.5 MW直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真模型，風(fēng)速在3～10 m/s變化時仿真數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。將功率自適應(yīng)方案嵌入仿真模型，仿真結(jié)果表明：采用功率自適應(yīng)方案優(yōu)化后的功率輸出大于優(yōu)化前的輸出值，驗(yàn)證了控制方案的有效性。

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；功率自適應(yīng)；控制策略

0 引言

在直驅(qū)式風(fēng)機(jī)控制策略中，發(fā)電機(jī)扭矩是按照標(biāo)準(zhǔn)空氣密度來計(jì)算的，但在實(shí)際中空氣密度是實(shí)時變化的，從而造成風(fēng)機(jī)的利用效率下降。因此，國內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)提出了各種方法以解決風(fēng)機(jī)效率低下的問題，如加裝渦流發(fā)生器、激光雷達(dá)對風(fēng)、控制策略優(yōu)化等。控制策略的優(yōu)化不僅可以提高風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率，而且有助于提升風(fēng)機(jī)的控制水平[1，2]。本文提出采用功率自適應(yīng)來優(yōu)化風(fēng)機(jī)的控制策略，使得最優(yōu)模態(tài)增益Kopt實(shí)時追蹤空氣密度的變化。利用MATLAB/SIMULINK仿真工具搭建1.5 MW風(fēng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型，嵌入風(fēng)機(jī)當(dāng)前及改進(jìn)后控制算法，得出2種控制方案下的功率曲線[3]。仿真結(jié)果表明：采用功率自適應(yīng)方案優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)功率輸出大于優(yōu)化前的輸出值，驗(yàn)證了控制方案的有效性。

1 直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組常規(guī)控制策略

1.5 MW直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組典型的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線如圖1所示。通過對機(jī)組常規(guī)控制策略的研究，可以將其分為4個階段：(1)風(fēng)機(jī)切入前的階段；(2)最大功率追蹤階段；(3)額定轉(zhuǎn)速到額定功率階段；(4)額定功率至大風(fēng)切出階段。

圖1 轉(zhuǎn)速-扭矩曲線

當(dāng)機(jī)組檢測到當(dāng)前風(fēng)速達(dá)到啟動風(fēng)速并持續(xù)一段時間，機(jī)組的主控系統(tǒng)向變流器發(fā)出啟動指令。變流器接收到并網(wǎng)指令后，機(jī)組開始執(zhí)行柔性并網(wǎng)，即從零扭矩逐步增大到啟動扭矩。當(dāng)機(jī)組完成并網(wǎng)后，機(jī)組轉(zhuǎn)速不斷地上升，此時的機(jī)組進(jìn)入最大功率追蹤階段，轉(zhuǎn)速處于并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速之間[4-5]。

2 仿真模型建立

含有雙PWM背靠背電壓源型變頻器的永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組(PMSG)的基本結(jié)構(gòu)[6]見圖2。風(fēng)力機(jī)帶動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，頻率、電壓變化的三相電壓經(jīng)電機(jī)側(cè)變流器整流后送入直流母排，再經(jīng)過網(wǎng)側(cè)變流器逆變?yōu)榭刹⒕W(wǎng)的三相電壓。

圖2 永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖

PMSG有2個控制目標(biāo)：當(dāng)實(shí)際風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，使得風(fēng)機(jī)始終處于最大功率追蹤階段，也就是保持最大風(fēng)能吸收系數(shù)Cp；當(dāng)實(shí)際風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，受各種機(jī)械強(qiáng)度、發(fā)電機(jī)及變頻器等容量的限值，機(jī)組進(jìn)行變槳，使功率、轉(zhuǎn)速維持在額定值附近[7]。

完整的 PMSG 模型及其控制框圖見圖3。圖中：A表示轉(zhuǎn)速控制策略；B表示發(fā)電機(jī)模型；C表示傳動系統(tǒng)模型；D表示風(fēng)力機(jī)模型。

圖3 完整PMSG模型及控制框圖

運(yùn)用MATLAB/SIMULINK仿真軟件建立了PMSG仿真模型[8，9],具體參數(shù)設(shè)置如下：PMSG的額定容量Pnom=1.5 MW；PMSG的額定電壓Vnom=690 V；頻率fnom=50 Hz；直流母線電壓VDC-nom=1 200 V；定子電阻Ra=0.006 6 Ω；電感L=0.001 4 H；極對數(shù)np=44；切入風(fēng)速V=3 m/s；額定風(fēng)速V=12 m/s；風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子半徑R=38.5 m；等效轉(zhuǎn)動慣量J=4×106kg·m2；轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)Bm=0。對風(fēng)速在3～10 m/s連續(xù)變化的情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4～5所示。

圖4 實(shí)際功率曲線

圖5 仿真功率曲線

在風(fēng)速變化過程中發(fā)電機(jī)組的仿真數(shù)據(jù)經(jīng)擬合后的仿真數(shù)據(jù)如圖6所示。仿真功率與理論功率基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖6 仿真數(shù)據(jù)比較

3 優(yōu)化方案

對于直驅(qū)型機(jī)組，機(jī)組所能獲得的最大輸出功率為：

(1)

發(fā)電機(jī)此時的扭矩為：

(2)

機(jī)組在最初設(shè)計(jì)階段就確定了最佳風(fēng)能吸收系數(shù)Cp，也就確定了最佳葉尖速比λopt。發(fā)電機(jī)最大輸出功率與空氣密度密切相關(guān)，而當(dāng)?shù)乜諝饷芏入S時間變化，總是偏離設(shè)計(jì)值1.225 kg/m3，在現(xiàn)有的控制策略中，最優(yōu)模態(tài)增益Kopt為定值[10-12]。當(dāng)空氣密度發(fā)生變化時，對應(yīng)的機(jī)械扭矩就會發(fā)生變化，若此時電磁扭矩設(shè)定值仍以Tm=Kopt×ω2(當(dāng)前控制策略Kopt=135 746為定值)加以控制，則發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω將減小或者增大，此時葉尖速比將偏離λopt，不能維持最佳Cp。若Kopt隨著密度ρ而變化，則電磁扭矩設(shè)定值Tm=Kopt×ω2將能實(shí)時跟蹤當(dāng)前機(jī)械扭矩，從而維持最佳葉尖速比λopt。

4 仿真分析

控制策略優(yōu)化作為功率提升方案的一種，主要集中在最大功率跟蹤階段(3～9 m/s)，鑒于仿真的精確性，仿真過程摒除了并網(wǎng)后的擾動階段(3～6 m/s)。選取6～8 m/s風(fēng)速作為仿真條件，分別以固定風(fēng)速6 m/s、7 m/s、8 m/s，改變空氣密度(即改變環(huán)境溫度)和最優(yōu)模態(tài)增益Kopt加以仿真分析。

ρ=1.293×10^(-h(18 400×

(1+0.003 674t)))/(1+0.003 674t)

(3)

仿真條件：密度公式ρ中，海拔高度h=1 400m，溫度t為環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度t從(-30～30 ℃)變化時，Kopt分別以固定(現(xiàn)有控制方案)和變化(控制策略優(yōu)化后)2種方式進(jìn)行控制，仿真功率及風(fēng)能吸收系數(shù)比較如圖7～10所示。

圖7 6 m/s風(fēng)速下，2種控制方案下功率比較

圖8 7 m/s風(fēng)速下，2種控制方案下功率比較

圖9 8 m/s風(fēng)速下，2種控制方案下功率比較

圖10 最大風(fēng)能吸收系數(shù)比較

0～18 s期間為風(fēng)機(jī)最大功率跟蹤階段，功率隨著風(fēng)速的變化而不斷上升，Kopt變化時的功率輸出及風(fēng)能吸收系數(shù)略大于Kopt固定時的輸出，反映出最優(yōu)模態(tài)增益隨外部環(huán)境變化而變化時，輸出功率平均提升5 kW，風(fēng)能吸收系數(shù)平均提高0.01，功率輸出較大，風(fēng)能吸收系數(shù)較大。當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率時，機(jī)組開始變槳，不再以追求最大風(fēng)能吸收系數(shù)Cp為目標(biāo)，此時以額定功率、額定轉(zhuǎn)速、額定扭矩為最終調(diào)整目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文搭建的1.5 MW直驅(qū)式風(fēng)機(jī)仿真模型，對風(fēng)速在3～10 m/s連續(xù)變化的情況進(jìn)行仿真，仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。在風(fēng)機(jī)最大功率追蹤階段，采用功率自適應(yīng)方案來優(yōu)化風(fēng)機(jī)的控制策略，

使得最優(yōu)模態(tài)增益Kopt實(shí)時追蹤空氣密度的變化。仿真結(jié)果表明：采用功率自適應(yīng)方案優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)功率輸出及最大風(fēng)能吸收系數(shù)均大于優(yōu)化前的輸出值，驗(yàn)證了控制方案的有效性。

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Control Strategy Optimization Analysis of Direct Drive Wind Turbine Based on Self-adaptive Air Density Change

CUI Rui, LI Xiaojiang, LIU Guodong

(Jingneng Shanxi Zhangshan Electric Power Co. Ltd., Changzhi 046021, China)

In the case of the air density reduction，the control strategy of direct drive wind turbine is optimized by using the power adaptation to improve the power curve and solve the problem of low utilization efficiency. Based on Matlab/Simulink, the wind power system simulation model with a 1.5 MW direct-drive permanent magnet synchronous generator is established in this paper. With the continuous change of wind speed in the case of 3～10 m/s, the simulation data and the theoretical data are consistent, which verifies the accuracy of the simulation model. The values of the power output and the maximum wind energy absorption coefficient are larger than the optimal output one. The simulation results verify the effectiveness of the control scheme.

wind turbine unit; power adaptive; control strateg

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.02.008

2016-08-18。

TM315

A

1672-0792(2017)02-0045-04

崔銳(1987-)，男，工程師，研究方向?yàn)榛痣姀S智能控制、直驅(qū)式風(fēng)機(jī)控制策略優(yōu)化。