雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制研究

羅秀華

(七臺(tái)河技師學(xué)院，黑龍江 七臺(tái)河 154600)

風(fēng)電是世界上發(fā)展最快的新型可再生能源，因風(fēng)電具有間歇性、隨機(jī)性、非線性等特點(diǎn)，并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響日益顯著。風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行中的主要問題是并網(wǎng)控制和功率調(diào)節(jié)。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制策略

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有氣動(dòng)、機(jī)械、電氣等子系統(tǒng)，電氣子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，比常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的控制更為復(fù)雜。雙饋發(fā)電機(jī)組變流器是實(shí)現(xiàn)變速恒頻交流勵(lì)磁的核心，為實(shí)現(xiàn)雙饋控制，既可由電機(jī)經(jīng)變流器向電網(wǎng)饋送電能，電網(wǎng)又能向變流器電機(jī)側(cè)饋送電能，它的控制目標(biāo)是維持直流電壓穩(wěn)定，將風(fēng)能最大限度轉(zhuǎn)化為電能輸送給電網(wǎng)，并對(duì)電網(wǎng)提供一定的無(wú)功支撐，主要由網(wǎng)側(cè)變流器、中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)及機(jī)側(cè)變流器組成。

1.1 網(wǎng)側(cè)變流器控制

網(wǎng)側(cè)變流器控制的主要目的是維持直流母線電壓的穩(wěn)定，保證單位功率因數(shù)，或向電網(wǎng)補(bǔ)償適當(dāng)?shù)臒o(wú)功功率。直流電壓穩(wěn)定就是直流功率平衡，是轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)雙PWM換流器可獨(dú)立控制的關(guān)鍵。網(wǎng)側(cè)變換器在電網(wǎng)電壓定向矢量控制中，將滑差功率送入電網(wǎng)的轉(zhuǎn)差率較小時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器有一定的功率裕量，裕量可為電網(wǎng)提供無(wú)功支持。網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型為：

圖1 電網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖Fig.1 Block diagram of power grid side converter control

1.2 中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)控制

變流器在控制中，網(wǎng)側(cè)變流器吸收有功功率，機(jī)側(cè)變流器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁功率，變流器中間環(huán)節(jié)具有儲(chǔ)能控制功能。當(dāng)風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器控制儲(chǔ)能裝置，吸收因風(fēng)速波動(dòng)在直流側(cè)產(chǎn)生的不平衡功率，平衡電網(wǎng)功率。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)提供無(wú)功支持，儲(chǔ)能裝置吸收故障期間發(fā)電機(jī)的有功輸出，以消除直流側(cè)的不平衡功率來(lái)穩(wěn)定直流側(cè)電壓。

1.3 機(jī)側(cè)變流器控制

機(jī)側(cè)變流器采用電流內(nèi)環(huán)和功率外環(huán)組成的串級(jí)控制系統(tǒng)，有功的串級(jí)控制環(huán)和無(wú)功的串級(jí)控制環(huán)相互獨(dú)立，平行控制。電磁轉(zhuǎn)矩參考值由風(fēng)機(jī)MPPT給定，無(wú)功參考值由風(fēng)電場(chǎng)給定，電磁轉(zhuǎn)矩和無(wú)功反饋值由定子電壓、電流計(jì)算給定，以PI調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)子電流無(wú)功分量和有功分量為參考值。

2 PI和模糊PI控制

PI控制包含比例調(diào)節(jié)器和積分調(diào)節(jié)器，比例調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)偏差信號(hào)，一旦產(chǎn)生偏差，調(diào)節(jié)器立刻產(chǎn)生控制，減少偏差。積分調(diào)節(jié)器用來(lái)消除靜差，提高系統(tǒng)無(wú)差度。I-PI(內(nèi)環(huán)、外環(huán)或轉(zhuǎn)子、定子)控制、內(nèi)環(huán)控制與PI控制相同，外環(huán)控制只需積分調(diào)節(jié)器即可獲得理想特性。

根據(jù)DFIG的阻抗、磁鏈在運(yùn)行中的特點(diǎn)，模糊PI控制器以轉(zhuǎn)子電流idr控制環(huán)為例，以定子電流與反饋電流的偏差e和偏差變化率de為模糊PI控制的輸入，以比例參數(shù)的積分參數(shù)增量ΔKp、ΔKi為輸出，并利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)調(diào)整，以滿足在不同工況下對(duì)e、de、PI參數(shù)的需求，計(jì)算比例、參數(shù)公式為：

式中，Kp、Ki為當(dāng)前時(shí)刻參數(shù)：ΔKp、ΔKi為經(jīng)模糊推理獲得的PI參數(shù)。

在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)利用傳統(tǒng)PI和模糊PI控制綜合調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，而I-PI調(diào)節(jié)器更精準(zhǔn)，模糊PI控制比傳統(tǒng)PI控制定子電壓跟蹤電網(wǎng)電壓快，當(dāng)電機(jī)參數(shù)變化時(shí)，并網(wǎng)過(guò)度時(shí)間短、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾性強(qiáng)，模糊PI控制是雙饋風(fēng)力電機(jī)理想的并網(wǎng)方式。但在控制中要根據(jù)實(shí)際情況采用不同的控制方式或采用綜合控制方式，以保證并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊很小或沒有沖擊。

3 PI控制電流內(nèi)環(huán)仿真分析

變換器PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的正確性需通過(guò)仿真分析獲得，為此利用MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真，對(duì)PI電流內(nèi)環(huán)控制進(jìn)行仿真分析。

圖2為轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制圖，依據(jù)變流器開關(guān)周期Tcontrol=0.000 5s定參數(shù)計(jì)算得τi-rd=1.332 8 s[80,99-100]。令σi-rd%=1.5%，得到ξi-rd=0.8，進(jìn)一步計(jì)算可得Ki-rd=8.046 8，設(shè)置變流器開關(guān)頻率為2 kHz、1 kHz、500 Hz，電流內(nèi)環(huán)指令在t=0.5 s時(shí)發(fā)生20～60 A階躍。

圖2 轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制圖Fig.2 Diagram of inner ring closed-loop control rotor current

仿真結(jié)果圖3(a)～(c)所示：說(shuō)明變流器開關(guān)頻率導(dǎo)致的控制時(shí)滯對(duì)慣性極小的轉(zhuǎn)子電流控制環(huán)節(jié)具有顯著影響。

圖3 d軸電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)Fig.3 Inner ring response of current in d axis

通過(guò)仿真分析可知，當(dāng)整定開關(guān)頻率與實(shí)際開關(guān)頻率一致時(shí)，電流能夠獲得良好的動(dòng)靜態(tài)性能，可達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，能對(duì)定、轉(zhuǎn)子電流動(dòng)態(tài)超調(diào)量和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)行控制，為電流閉環(huán)控制提供了工程設(shè)計(jì)方法。而當(dāng)二者不一致時(shí)，超越量及調(diào)節(jié)時(shí)間都背離設(shè)計(jì)目標(biāo)，偏差越大，背離設(shè)計(jì)目標(biāo)的程度就越明顯。