基于集中式變流器的風(fēng)電機(jī)群功率輸出控制

熊國專 胡 鵬 楊培文 張金強(qiáng) 張悅超

（龍?jiān)矗ū本╋L(fēng)電工程技術(shù)有限公司）

0 引言

近海風(fēng)電具有風(fēng)速高、湍流強(qiáng)度小、風(fēng)速風(fēng)向穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且我國海岸線長，具備大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電的資源條件，同時(shí)沿海地區(qū)礦產(chǎn)資源匱乏，電力需求巨大，海上風(fēng)電可以就近吸納，因此近海風(fēng)電的發(fā)展具有巨大的潛力［1-2］。受極端天氣和海洋環(huán)境的制約，海上機(jī)組維護(hù)成本高、維護(hù)難度大，長時(shí)間故障停機(jī)導(dǎo)致的發(fā)電量損失巨大［3-4］。對此，有國內(nèi)外研究學(xué)者提出風(fēng)電機(jī)群集中控制的思想，即利用單臺變流器控制多臺風(fēng)機(jī)取代單臺變流器控制單臺風(fēng)力機(jī)，這將有利于減少單臺變流器獨(dú)立控制帶來的建設(shè)和維護(hù)成本［5-7］。其中部分研究提出采用結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠的鼠籠式異步發(fā)電機(jī)取代其他機(jī)組，來進(jìn)一步提高風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性，延長機(jī)組有效發(fā)電時(shí)長［6-7］。對于風(fēng)電機(jī)群集中控制而言，連接至同一條變頻交流母線上的所有風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速相同，即運(yùn)行于風(fēng)電機(jī)群同一轉(zhuǎn)速。當(dāng)各臺風(fēng)力機(jī)處的風(fēng)速大小不一時(shí)，則會存在風(fēng)力機(jī)偏離于最佳的葉尖速比，從而導(dǎo)致一定的風(fēng)速損失。AgustíEgea-àlvarez等人通過磁鏈觀測器計(jì)算出風(fēng)電機(jī)群的轉(zhuǎn)速平均值，進(jìn)而得到含有轉(zhuǎn)速平均值變量的轉(zhuǎn)矩公式，并通過風(fēng)電場功率控制器使系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩給定值最優(yōu)來獲得最佳的風(fēng)能捕獲狀態(tài)［6］，但其未考慮到如何控制風(fēng)速較高的風(fēng)電機(jī)組輸出功率不超過額定值。Si-Zhe Chen提出利用粒子群搜索算法對風(fēng)電機(jī)群同一轉(zhuǎn)速和全體風(fēng)力機(jī)槳距角進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，來進(jìn)一步提高風(fēng)能利用率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)恒功率控制［7］。粒子群算法作為一種模糊搜索算法，當(dāng)風(fēng)電機(jī)群規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，待求解變量增多，其收斂速度快的優(yōu)勢將不明顯，且易陷入局部最優(yōu)解。基于以上不足，本文采用了一種簡易的功率輸出控制算法，能夠根據(jù)風(fēng)速變化實(shí)時(shí)快速求解最優(yōu)解。在低風(fēng)速時(shí)，將風(fēng)機(jī)的槳距角置零，簡化風(fēng)能利用系數(shù)公式，從而求解最優(yōu)的風(fēng)電機(jī)群同一轉(zhuǎn)速，來獲得較高的風(fēng)能利用率，對于風(fēng)速過高的風(fēng)力機(jī)可利用槳距角的調(diào)節(jié)作用來達(dá)到恒功率輸出的目的。

1 集中變流控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為基于高壓直流輸電的分布式變流發(fā)電與集中式變流發(fā)電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

傳統(tǒng)的海上分布式變流發(fā)電技術(shù)為每臺機(jī)組提供局部變流器，經(jīng)變頻交流母線匯流后連接至風(fēng)電場側(cè)變流器轉(zhuǎn)為高壓直流，用于長距離傳輸至岸上。國外學(xué)者提出了一種基于多端口的高壓直流輸電近海風(fēng)電機(jī)群集中控制拓?fù)洌?］，如圖1下部分，每條變頻交流母線上連接一組風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通過各自的集中式變流器轉(zhuǎn)為直流電后匯聚一起，再進(jìn)行高電壓傳輸。集中式變流器大大減少了為每臺機(jī)組配備變流器的昂貴支出，且省去了中間變流環(huán)節(jié)導(dǎo)致的電力消耗。然而對于集中式變流發(fā)電而言，同一條變頻交流母線上的所有風(fēng)力機(jī)均運(yùn)行于同一轉(zhuǎn)速，受尾流效應(yīng)影響各臺風(fēng)力機(jī)處的風(fēng)速大小不一致時(shí)，存在風(fēng)力機(jī)偏離于自身的最佳葉尖速比，這將會導(dǎo)致一定的風(fēng)能損失。這種損失是不可避免的，只能通過尋找最優(yōu)的風(fēng)能捕獲算法去盡可能減少。

圖1 分布式變流與集中式變流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 變最大功率輸出控制算法

根據(jù)貝茨理論，風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率輸出公式：

式中，Pt為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率；A為葉片掃掠面積；ρ為空氣密度；V為風(fēng)速；Cp為風(fēng)能利用率，是葉尖速比和槳距角的函數(shù)：

式（2）中，β為槳距角；λ為葉尖速比，可表示為：

式（3）中，ωt為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速；R為葉片長度。

根據(jù)式（2）繪制不同槳距角下的風(fēng)能利用系數(shù)曲線，如圖2所示。

由圖2可見，不同的槳距角β所對應(yīng)的最大風(fēng)能利用系數(shù)不同，當(dāng)槳距角β=0o時(shí)的風(fēng)能利用系數(shù)最大，為0.48。

圖2 不同槳距角下的風(fēng)能利用系數(shù)曲線

考慮到槳距角β=0時(shí)，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp最大，故可將式（2）中的槳距角β置0，同時(shí)通過曲線擬合算法將式（2）簡化為如式（4）所示的五次冪多項(xiàng)式：

其中，a0～a5依次為0.68557493、-0.65617388、0.21623231、-0.02688719、0.00145086、-0.00002965。

M臺并聯(lián)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組總輸出功率如下：

由式（5）可知，當(dāng)各臺風(fēng)力機(jī)處風(fēng)速已知的情況下，風(fēng)電機(jī)組總輸出功率僅與風(fēng)電機(jī)群同一轉(zhuǎn)速ωt有關(guān)，對M臺風(fēng)電機(jī)組總輸出功率求導(dǎo)，求導(dǎo)公式如下：

對式（6）中的四次五項(xiàng)式求根，即可得出最佳的風(fēng)力機(jī)群同一轉(zhuǎn)速ωopt。當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，存在發(fā)電機(jī)輸出功率將超過額定值，此刻可控制發(fā)電機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速ωn，由式（1）～式（3）可知，若要使發(fā)電機(jī)運(yùn)行于額定功率輸出，可通過槳距角的調(diào)節(jié)作用來實(shí)現(xiàn)。

3 籠型異步發(fā)電機(jī)群直接轉(zhuǎn)矩控制策略

籠型異步發(fā)電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系α、β下的數(shù)學(xué)模型如下［8］：

其中，usα、usβ、urα、urβ表示發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電壓在α、β軸上的分量；isα、isβ、irα、irβ表示發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流在α、β軸上的分量；ψsα、ψsβ、ψrα、ψrβ表示發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁鏈在α、β軸上的分量；Te表示發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；np表示發(fā)電機(jī)的極對數(shù)。

籠型異步發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)之間的運(yùn)動方程式如下：

籠型異步發(fā)電機(jī)群直接轉(zhuǎn)矩控制策略框圖如圖3所示，采集各臺風(fēng)力機(jī)的實(shí)時(shí)風(fēng)速輸入功率輸出算法模塊，產(chǎn)生對應(yīng)于最大功率輸出的風(fēng)電機(jī)群同一給定轉(zhuǎn)速和各風(fēng)力機(jī)槳距角的給定值。將風(fēng)電機(jī)群同一轉(zhuǎn)速給定值與反饋值的偏差輸入PI調(diào)節(jié)器，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩電流給定值；轉(zhuǎn)矩電流給定值與反饋值的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生q軸輸出電壓；磁鏈給定值與反饋值的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生勵(lì)磁電流給定值，勵(lì)磁電流給定值與反饋值的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生d軸輸出電壓；dq軸電壓經(jīng)旋轉(zhuǎn)/靜止變換和SVPWM調(diào)制后，產(chǎn)生風(fēng)電場變流器的驅(qū)動脈沖。

圖3 籠型異步發(fā)電機(jī)群直接轉(zhuǎn)矩控制策略框圖

其中，磁鏈和角度計(jì)算公式如下：

其中，Rs為發(fā)電機(jī)定子繞組阻值。

4 籠型異步發(fā)電機(jī)群直接轉(zhuǎn)矩控制策略

為驗(yàn)證本文所提出的功率輸出控制算法的有效性，在Matlab/Simulink仿真平臺搭建如圖3所示的籠型異步發(fā)電機(jī)群，為加快系統(tǒng)的仿真速度，選取了4臺額定功率為149.2kW的籠型異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真分析。其中，標(biāo)幺值系統(tǒng)中的基準(zhǔn)值為：風(fēng)速vbase=12m/s，最佳葉尖速比λopt=8.1，風(fēng)能利用系數(shù)Cp_max=0.48，額定轉(zhuǎn)速ωn=1800r/min。其余系統(tǒng)仿真參數(shù)如下表所示。

表 籠型異步發(fā)電機(jī)參數(shù)

考慮到風(fēng)電場各臺風(fēng)力機(jī)處風(fēng)速之間的差異，給出了由基本風(fēng)速、斜坡風(fēng)速、陣風(fēng)和湍流疊加組成的四組低風(fēng)速，如圖4所示，實(shí)時(shí)計(jì)算的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖4 各臺風(fēng)力機(jī)處的風(fēng)速

圖5 各臺風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)

由圖4～圖6可知，當(dāng)各臺風(fēng)力機(jī)處的風(fēng)速存在一定的偏差時(shí)，所述的功率輸出控制算法計(jì)算出的各臺風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)標(biāo)幺值均在0.9以上，其中風(fēng)力機(jī)4的風(fēng)能利用系數(shù)較低，這是鑒于風(fēng)力機(jī)輸出功率為風(fēng)速的三次方，盡可能使風(fēng)速較高的風(fēng)力機(jī)獲得較好的風(fēng)能利用系數(shù)，從而使發(fā)電機(jī)輸出更多的功率，即可從整體上提高風(fēng)電場的風(fēng)能利用率。

圖6 各臺發(fā)電機(jī)的輸出功率

圖7給出了四組高風(fēng)速，實(shí)時(shí)計(jì)算的仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖7 各臺風(fēng)力機(jī)處的風(fēng)速

圖8 各臺發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

圖8為各臺發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可見同一條變頻交流母線上各臺發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速基本一致，存在細(xì)微差異的原因是由于各臺風(fēng)力機(jī)處的風(fēng)速存在差異，各臺風(fēng)力機(jī)的輸出力矩不同導(dǎo)致。當(dāng)風(fēng)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，各臺發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行于額定值。對于風(fēng)速過高的風(fēng)力機(jī)，可通過槳距角的調(diào)節(jié)作用，如圖9所示，控制其運(yùn)行于恒功率發(fā)電模式，如圖10所示。對于圖6、圖10所示的發(fā)電機(jī)輸出功率波形存在的針刺波動現(xiàn)象，這是由于受風(fēng)速湍流的影響，實(shí)時(shí)計(jì)算得出的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也跟隨波動上下變化，風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能與發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動能之間相互轉(zhuǎn)化，這是無法避免的。

圖9 各臺發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

圖10 各臺發(fā)電機(jī)的輸出功率

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于集中式變流器的風(fēng)電機(jī)群功率輸出控制方法，在低風(fēng)速時(shí)，忽略槳距角的調(diào)節(jié)作用，將各臺風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)公式簡化為葉尖速比λ的多項(xiàng)式，進(jìn)而將公式簡化求導(dǎo)求解最佳的風(fēng)電機(jī)群同一轉(zhuǎn)速。對于風(fēng)速過高的風(fēng)力機(jī)，利用槳距角的調(diào)節(jié)作用使其運(yùn)行于額定功率。仿真結(jié)果表明，所提出的功率輸出控制算法在一定程度上減少了風(fēng)電機(jī)群集中控制所帶來的風(fēng)能損失，且能夠控制風(fēng)速過高的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于恒功率發(fā)電模式。