基于電磁耦合器調速的同步發(fā)電機控制研究

包廣清,郭風堂

(蘭州理工大學,蘭州 730050)

0 引 言

目前，風電場運行的變速恒頻風電機組主要有雙饋異步型和永磁直驅型2種。這2種風電機組都通過變流器與電網(wǎng)連接，其暫態(tài)過載能力、對電網(wǎng)電壓的支撐能力和頻率穩(wěn)定的能力相對較弱，且輸出電壓波形畸變，電能質量差。由于風電機組裝機規(guī)模不斷增長，解決上述2種常規(guī)風電機組存在的這些問題，變得尤為重要。前端調速型的同步風力發(fā)電技術受到國內外研究人員的關注。歐洲推出了液力變距調速的風電機組[1]，液力變矩器與同步發(fā)電機相連，將齒輪傳遞的轉速調節(jié)為同步轉速。清華大學柴建云、陳基和等人則開發(fā)了基于電磁耦合器調速的新型同步風電機組[2-3]。電磁耦合器調速型的風電機組采用的是與火電和水電相似的發(fā)電機并網(wǎng)原理，即風力機的調速裝置位于同步發(fā)電機前端，同步發(fā)電機定子側與電網(wǎng)直接相連，調速裝置負責將發(fā)電機轉速調節(jié)為同步轉速,其結構如圖1所示。電磁耦合器的傳動是一種非接觸的柔性傳動方式，可實現(xiàn)風電機組的無級調速，提高了機組的變速范圍和控制響應速度；實現(xiàn)了能量的平穩(wěn)傳遞，避免了電網(wǎng)故障時發(fā)電機產(chǎn)生的沖擊轉矩對齒輪箱的損傷。電磁耦合器所用的變頻器功率容量小，控制簡單。文獻[4-5]通過HAWC2和MATLAB的聯(lián)合仿真，研究了2 MW電磁耦合器調速風電機組的故障穿越能力和頻率支持能力，并取得了滿意的效果。文獻[6]推導了電磁耦合器的等效電路，分析了電磁耦合器的能量關系。

圖1 前端調速型同步風電機組原理圖

作為一種新型的前端調速風電機組，關于該風電機組風能追蹤的研究尚處于起步階段。研究該風電機組的風能追蹤特性可以充分地利用風力資源，獲得更高產(chǎn)業(yè)效益，推進該類型風電機組的實用化和產(chǎn)業(yè)化。

目前風能跟蹤的控制方法主要有葉尖速比法、功率信號反饋法和爬山搜索法[7-8]。葉尖速比法控制簡單，響應速度快，但需要實時地進行風速測量。爬山搜索法不需要風力機參數(shù)，但是由于風機慣性的存在，使其只適用于小容量系統(tǒng)。功率信號反饋法不需要測量風速，實現(xiàn)該方法的難點在于最優(yōu)功率曲線難以獲得。

本文以電磁耦合器調速的同步風電機組為研究對象，在分析了風力機運行特性和電磁耦合器的工作原理的基礎上，采用最優(yōu)轉矩和轉速閉環(huán)的控制方法，研究了額定風速以下時，階躍和隨機風況下電磁耦合器的調速特性和風電機組的風能捕獲特性，實現(xiàn)了不同風速下風電機組的穩(wěn)定運行和風能有效追蹤。

1 風力發(fā)電機組模型

基于電磁耦合器調速的風電機組主要由風力機、電磁耦合器和同步發(fā)電機等組成，如圖2所示。其中前軸系包括風力機、變速齒輪箱和電磁耦合器的內轉子；后軸系包括同步發(fā)電機和電磁耦合器的外轉子。

圖2 電磁耦合器調速型風電機組結構示意圖

1.1 風力機的運行特性

根據(jù)風力機的空氣動力學貝茨理論可知[9]，在一定風速下，風力機捕獲的風能功率函數(shù)：

(1)

風能利用系數(shù)CP(λ,β)的特性曲線，如圖3所示。當槳距角一定時，僅存在一個最佳葉尖速比λopt，使得CP值最大，此時風力機捕獲的風能最多。

圖3 風能利用系數(shù)CP(λ,β)的特性曲線

基于電磁耦合器調速的風力機的運行工況分為3種：最大風能跟蹤區(qū)、恒轉速區(qū)和恒功率區(qū)，如圖4所示。

圖4 不同區(qū)域內風力機輸出功率與風速的關系

1.1.1 最大風能跟蹤區(qū)

在此區(qū)間，風速和風力機轉速均低于額定值，β=0°。CP只與葉尖速比λ相關，在風速改變的同時調節(jié)風力機轉速，使之始終對應于最佳葉尖速比λopt，保持風能系數(shù)為CPmax。風力機的輸出轉矩與風輪轉速的關系：

(3)

式中：

(4)

1.1.2 恒轉速區(qū)

在此區(qū)間，風力機和電磁耦合器均處于額定運行狀態(tài)，但風速低于額定風速vN。采用轉速閉環(huán)控制，使電磁耦合器內外轉子轉速差為額定值。風力機的輸出轉矩:

(5)

1.1.3 恒功率區(qū)

在此區(qū)間，風速超過額定風速vN，變槳機構工作，通過改變槳距角β的大小，使風力機的輸出功率穩(wěn)定在額定功率。此時，電磁耦合器的所需調節(jié)的轉速差要小于額定值。風力機的輸出轉矩：

(6)

1.2 電磁耦合器模型

電磁耦合器由內、外2個轉子組成,其結構如圖5所示。鼠籠式內轉子與齒輪箱相連，由變頻器供電的外轉子為通電電樞，與同步發(fā)電機相連。機組并網(wǎng)后，電磁耦合器的外轉子轉速與同步發(fā)電機轉速保持一致，被電網(wǎng)頻率鎖定為一穩(wěn)定值。通過變頻器可以調節(jié)電磁耦合器內外轉子的轉速差，改變內轉子轉速，實現(xiàn)最佳葉尖速比運行。

圖5 電磁耦合器的結構示意圖

電磁耦合器在m-t坐標系下的狀態(tài)方程[10]：

(7)

轉差角頻率：

(8)

電磁轉矩：

(9)

2 最優(yōu)轉矩的控制策略

風力機的最優(yōu)機械特性曲線如圖6所示。通過最優(yōu)轉矩給定的控制方法能夠實現(xiàn)風力機在額定風速以下的最佳功率運行[11-12]。

圖6 風力機最優(yōu)機械特性曲線

在最大風能追蹤區(qū)電磁耦合器的內外轉速差Δω會超過額定值Δωn，因此需采用弱磁控制實現(xiàn)轉速調節(jié)。本文采用傳統(tǒng)的弱磁控制方法，即當轉速差Δω超過額定轉速差Δωn時，轉子磁鏈與轉速成反比：

(10)

圖7 轉子磁場定向的電磁耦合器控制結構圖

3 系統(tǒng)仿真研究

本文采用MATLAB/Simulink仿真軟件對不同風況下電磁耦合器調速同步風電機組的風能跟蹤控制進行仿真研究。

仿真所用風力機的主要參數(shù)：PN=100 kW，vN=11 m/s,R=10 m,ωmN=60 r/min,風速范圍為3～25 m/s,齒輪箱變比為22。電磁耦合器的參數(shù)：額定功率為15 kW，額定線電壓400 V，額定頻率18 Hz，外轉子漏感Ls1=1.04 mH和電阻r1=0.045 Ω,內轉子漏感Ls2=1.623 mH和電阻r2=0.058Ω,互感Lm=50.1 mH,極對數(shù)p=6。λopt=8.1，CPmax=0.48。同步發(fā)電機的主要參數(shù)：Pn=110 kW，額定線電壓UN=380 V，同步轉速n=1 500 r/min ，額定功率因數(shù)為0.85。

3.1 風能利用系數(shù)和輸出功率的變化

如圖8所示,風速在t=0～1 s時為4 m/s，t=1～8 s時風速從4 m/s逐漸上升至11 m/s，t=8～11 s時風速為11 m/s。從圖8(c)中可以看出，在最大風能跟蹤區(qū)風能利用系數(shù)CP=0.48，實現(xiàn)了最大風能跟蹤的目標；風速為8～11 m/s時風能利用系數(shù)CP逐漸減小，但風力機的輸出功率持續(xù)增加，風力機進入恒轉速運行區(qū)。

(a) 風速變化曲線

(b) 風力機輸出功率

(c) 風能利用系數(shù)

3.2 階躍風速下的仿真分析

最大風能跟蹤區(qū)階躍風速下風電機組各部分的仿真波形如圖9～圖11所示。由圖可見，在風速急劇增大和減小時，風力機輸出功率和轉矩隨之快速變化，前軸轉速即內轉子轉速，快速地跟蹤風速的變化以保持最大風能捕獲的運行狀態(tài)；風能利用系數(shù)CP曲線發(fā)生較小波動后能較快地恢復到穩(wěn)定值0.48，實現(xiàn)了最大風能跟蹤的目的。在此過程中，電磁耦合器外轉子轉速即后軸轉速始終穩(wěn)定在1 500 r/min,保證了同步發(fā)電機輸出電壓、電流頻率的穩(wěn)定性。從圖中還可看出，風速穩(wěn)定時同步發(fā)電機輸出的有功功率要高于風力機的輸出功率，說明同步發(fā)電機輸出的有功功率分別來自于風力機輸出的機械功率和電磁耦合器的電功率，即電磁耦合器在調節(jié)轉速差，傳遞轉矩的同時還能夠補償風力機和同步發(fā)電機之間的功率差值。

(a) 階躍風速

(b) 風力機的輸出功率

(c) 風力機經(jīng)齒輪箱輸出的轉矩

(d) 風能利用系數(shù)

(a) 外轉子轉速

(b) 內轉子轉速

(c) 內外轉子轉速差

(a) 同步發(fā)電機輸出的有功功率

(b) 同步發(fā)電機輸出的三相電流

3.3 運行工況改變時的仿真分析

風速由7 m/s到9 m/s再到11 m/s時，風力機從最大風能追蹤區(qū)進入到恒轉速區(qū)，仿真波形如圖12～圖14所示。當風速變化使得風力機的運行區(qū)域發(fā)生變化時，電磁耦合器內轉子轉速快速地跟蹤風速的變化，外轉子轉速雖然發(fā)生輕微波動，但仍穩(wěn)定在1 500 r/min，使轉矩控制和轉速閉環(huán)控制之間平穩(wěn)過渡。風力機進入到恒轉速運行區(qū)后，轉速差為額定值150 r/min,內轉子轉速穩(wěn)定在1 350 r/min。在恒轉速區(qū)，風速發(fā)生階躍變化時，電磁耦合器的內、外轉子轉速都保持在額定值。風速增加時，CP值減小，但風力機的輸出功率和轉矩增加。

(a) 階躍風速

(b) 風力機的輸出功率

(c) 風力機經(jīng)齒輪箱輸出的轉矩

(d) 風能利用系數(shù)

(a) 外轉子轉速

(b) 內轉子轉速

(c) 內外轉子轉速差

(a) 同步發(fā)電機輸出的有功功率

(b) 同步發(fā)電機輸出的三相電流

3.4 隨機風速下的仿真分析

隨機風速下仿真波形如圖15～圖17。隨機風速采用丹麥奧爾堡大學開發(fā)的風速仿真模型[13]。由圖可見，t=0～6 s,風速低于8 m/s，風力機處于最大風能跟蹤區(qū)，其輸出的功率、轉矩以及前軸轉速均能夠快速地跟隨風速的變化，使風力機保持最佳葉尖速比的運行狀態(tài)。此時風能利用系數(shù)穩(wěn)定在0.48附近，實現(xiàn)了最大風能跟蹤的目標。t=6～14s時，風速高于8 m/s，風力機處于恒轉速區(qū)，CP值始終低于0.48，電磁耦合器內轉子的轉速穩(wěn)定在額定值。整個過程中后軸轉速穩(wěn)定在1 500 r/min，保證了同步發(fā)電機輸出電壓、電流頻率的穩(wěn)定。

(a) 隨機風速

(b) 風力機的輸出功率

(c) 風力機經(jīng)齒輪箱輸出的轉矩

(d) 風能利用系數(shù)

(a) 外轉子轉速

(b) 內轉子轉速

(c) 內外轉子轉速差

(a) 同步發(fā)電機輸出的有功功率

(b) 同步發(fā)電機輸出的三相電流

4 結 語

本文在分析了風力機運行特性和電磁耦合器工作原理的基礎上，根據(jù)電磁耦合器的轉矩傳遞特性，采用最優(yōu)轉矩和轉速閉環(huán)的控制策略，應用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建了電磁耦合器調速同步風電機組風能跟蹤控制的仿真模型。在不同風況下的仿真結果表明，采用最優(yōu)轉矩和轉速閉環(huán)控制的電磁耦合器調速同步風電機組，其運行穩(wěn)定，功率、轉矩的波動小，能夠較好地達到最大風能跟蹤的目的，在風能跟蹤區(qū)和恒轉速區(qū)之間平滑地過渡切換。

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