雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能追蹤控制研究

滕志飛 張永剛 朱樂

摘要：風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能的一種有效手段，提高風(fēng)能利用率成為風(fēng)力發(fā)電研究中的重要內(nèi)容。提出一種風(fēng)力發(fā)電最大風(fēng)能追蹤控制技術(shù)，通過控制雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速最優(yōu)曲線，實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)速下的最大風(fēng)能追蹤，用以提高風(fēng)力發(fā)電效率和降低發(fā)電成本。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；最大風(fēng)能追蹤；雙饋電機(jī)；仿真

中圖分類號：TM311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2018）02-0024-03

近年來，隨著世界各國對新能源發(fā)電的不斷關(guān)注和技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)量不斷加大，而其中風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電的主要手段，風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)量和單機(jī)容量都在逐年加大。大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是我國電力可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然趨勢，同時我國地域遼闊，風(fēng)能儲量大，很適合風(fēng)力發(fā)電發(fā)展。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)相對于恒速恒頻系統(tǒng)具有更高的運(yùn)行效率，因此越來越受到重視。本課題重點(diǎn)研究雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的最大風(fēng)能跟蹤技術(shù)。

1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)兩部分組成。風(fēng)力機(jī)利用空氣流動的動能推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)將風(fēng)力機(jī)傳送來的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌斔徒o負(fù)載。目前使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有兩種：鼠籠式異步發(fā)電機(jī)和繞線式異步發(fā)電機(jī)。前者轉(zhuǎn)速受電網(wǎng)頻率的約束基本保持不變，而風(fēng)力機(jī)是隨轉(zhuǎn)速變化的，因此很難達(dá)到最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；后者可與轉(zhuǎn)子輸入相位、幅值和頻率可調(diào)的三相交流電進(jìn)行交流勵磁發(fā)電，成為雙饋發(fā)電機(jī)。通過調(diào)節(jié)勵磁電流，發(fā)電機(jī)可在風(fēng)力機(jī)保持最佳葉尖速比的情況下恒頻輸出，這樣便于并網(wǎng)運(yùn)行，且風(fēng)能利用率接近最大值，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 最大風(fēng)能追蹤

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因在最大風(fēng)能追蹤上具有在一定范圍內(nèi)變速運(yùn)行的特點(diǎn)，其優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)出來。雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大風(fēng)能追蹤是指系統(tǒng)工作在啟動風(fēng)速和額定風(fēng)速之間時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時的CP（功率系數(shù)）值保持最大。最大風(fēng)能追蹤的整體控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中風(fēng)力機(jī)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)同軸相連。

2.1 最大風(fēng)能追蹤控制策略

對風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行研究可知，在風(fēng)速一定時，風(fēng)力機(jī)的輸出功率取決于風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)CP。風(fēng)力機(jī)工作在不同風(fēng)速時的轉(zhuǎn)速與輸出功率的關(guān)系曲線如圖3所示。

為了使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時最大程度地吸收風(fēng)能而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，應(yīng)使風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定在最大功率輸出點(diǎn)上。而通過對該曲線進(jìn)行分析可知，對雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行有功和無功功率解耦，從而控制發(fā)電機(jī)的有功功率實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的控制策略是可行的。

2.2 最大風(fēng)能追蹤控制算法

對雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電壓或定子磁鏈進(jìn)行定向的矢量控制，是P-Q解耦控制的本質(zhì)。由于定子磁鏈的計算與發(fā)電機(jī)的參數(shù)有很大關(guān)系，如參數(shù)不正確、溫度改變等因素會造成定向錯誤、降低矢量控制的性能，因此選擇電壓定向控制的方法。

雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓定向矢量控制解耦算法如下：

1） 在系統(tǒng)中讀入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并通過下式計算出有功功率參考，無功功率參考為0。

2） 在系統(tǒng)中讀入電壓、發(fā)電機(jī)定子電流等數(shù)值，經(jīng)過a-b-c到d-q坐標(biāo)變換后經(jīng)下式進(jìn)行計算，得出功率反饋值，并與參考值進(jìn)行比較，輸出定子電流參考。

3） 由磁鏈觀測器和定子電流參考值輸出定子磁鏈幅值，并由下式計算出轉(zhuǎn)子電流參考值。

4） 在系統(tǒng)中讀入轉(zhuǎn)子電流值，經(jīng)過a-b-c到d-q坐標(biāo)變換后與參考值比較，并由電流調(diào)節(jié)器輸出電壓解耦分量，電壓解耦分量加上電壓補(bǔ)償分量得出轉(zhuǎn)子電壓參考值，最后得到轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的驅(qū)動信號，來完成電壓定向適量的解耦控制。

3 最大風(fēng)能追蹤仿真分析

利用SIMULINK計算機(jī)仿真軟件為雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型，包括風(fēng)力機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)和控制器4個部分。將上述4個部分進(jìn)行封裝，再加上電網(wǎng)模型，即構(gòu)成變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型（如圖4所示）。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)對應(yīng)為換向點(diǎn)，可以看出，當(dāng)雙饋型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由大于同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮谕睫D(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子側(cè)電流進(jìn)行了換向。仿真結(jié)果與理論分析完全一致。

4 結(jié)語

對雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的最大風(fēng)能跟蹤技術(shù)進(jìn)行研究。介紹雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體構(gòu)成，闡述基于雙饋型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的最大風(fēng)能追蹤控制策略及算法，并通過Simulink仿真進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，仿真結(jié)果與理論分析一致，具有可行性。

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