雙饋風力發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的研究與設計*

鄭恩讓， 高 飛

(陜西科技大學電氣與信息工程學院風力發(fā)電實驗室，陜西西安 710021)

0 引言

變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組是目前風力發(fā)電的主流機型。它主要是通過雙向變換器來實現(xiàn)交流勵磁控制，通常的控制策略是將雙向變換器分為網(wǎng)側變換器和轉子側變換器，并對這兩側變換器分別進行控制，兩者之間采用大容量電解電容來進行解耦。通過轉子側變換器調(diào)節(jié)饋入轉子繞組的勵磁電流，既可穩(wěn)定定子輸出的電壓和頻率，還可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的功率因數(shù)。電網(wǎng)側變換器從電網(wǎng)上獲得電能變流后以直流形式供給轉子側勵磁變換器，從而能給轉子提供勵磁電流，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，對電機轉速進行控制，達到穩(wěn)定功率輸出的目的。但是當系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或有外部擾動時，都會使系統(tǒng)的閉環(huán)極點偏移，導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。因此，提出了一種基于免疫單神經(jīng)元自適應PID算法的勵磁控制策略，在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或有外部擾動時，可以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

1 變速恒頻雙饋發(fā)電機的控制原理

如圖1所示，雙饋式變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)由風力機、變速箱、雙饋發(fā)電機、變換器及控制系統(tǒng)等構成。雙饋發(fā)電機的定子繞組與電網(wǎng)相連，轉子繞組由轉子側變換器供給勵磁，本文中采用交-直-交變換器供電。雙饋發(fā)電機的轉速可隨風速的變化在一定范圍內(nèi)作適當調(diào)整，從而使風機的運行始終處于最佳狀態(tài)，以提高風能的利用率。圖1中轉子側變換器和電網(wǎng)側變換器均為雙向變換器，通過轉子側變換器調(diào)節(jié)饋入轉子繞組的勵磁電流，一方面可穩(wěn)定定子輸出的電壓和頻率，另一方面還可以調(diào)節(jié)發(fā)電機的功率因數(shù)。電網(wǎng)側變換器從電網(wǎng)上獲得電能變流后以直流形式供給轉子側勵磁變換器，從而能給轉子提供勵磁電流，通過調(diào)節(jié)勵磁電流，對電機轉速進行控制，從而達到穩(wěn)定功率輸出的目的。

圖1 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結構框圖

由于雙饋發(fā)電機是三相繞線式異步發(fā)電機，可知雙饋發(fā)電機的轉速與定、轉子繞組電流頻率之間的關系為

式中:fs，fr——定、轉子電流頻率;

p、n——發(fā)電機的極對數(shù)和轉速。

當發(fā)電機處于亞同步速運行時，式(1)取正號;發(fā)電機超同步速運行時，式(1)取負號。同步速運行時，fr=0，此時轉子繞組從轉子側變換器獲得直流勵磁。

由式(1)可得，當發(fā)電機轉速n發(fā)生變化時，可通過調(diào)節(jié)轉子電流頻率fr使得定子電流頻率fs保持與電網(wǎng)頻率同步，從而達到發(fā)電機的變速恒頻控制。

2 勵磁控制系統(tǒng)

2.1 勵磁控制系統(tǒng)的功能

勵磁控制系統(tǒng)是發(fā)電機的重要組成部分，它對電力系統(tǒng)及發(fā)電機本身的安全穩(wěn)定運行有很大影響。優(yōu)良的勵磁控制系統(tǒng)應能夠保證發(fā)電機的可靠運行，而且還可以有效提高發(fā)電機的發(fā)電質(zhì)量，保持電網(wǎng)的各項指標穩(wěn)定;同時，勵磁調(diào)節(jié)裝置還能有效提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的功率極限。

由于風力發(fā)電系統(tǒng)本身是時滯系統(tǒng)，來自系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài)信號也較多，因此勵磁控制系統(tǒng)除了要完成其基本功能外，還要與風電系統(tǒng)其他部分配合，對發(fā)電機的轉速、有功功率、無功功率，以及轉子繞組的電壓、電流、相位、幅值、頻率等進行調(diào)節(jié)，以滿足雙饋發(fā)電機的各種運行狀態(tài)的要求。

2.2 雙饋風力發(fā)電勵磁控制系統(tǒng)的構成

如圖2所示，搭建雙饋風力發(fā)電機模擬試驗系統(tǒng)，由15 kW交流異步電機作為原動機，利用變頻器可對其進行調(diào)速模擬風力機，7.5 kW繞線式異步發(fā)電機模擬雙饋式風力發(fā)電機，在原動機的帶動下旋轉發(fā)電，其定子繞組接電網(wǎng)，轉子繞組接轉子側變換器，轉子側變換器和電網(wǎng)側變換器均為雙向變換器。當雙饋發(fā)電機低于同步速運行時，電網(wǎng)側變換器從電網(wǎng)獲取電能變換成直流，經(jīng)轉子側變換器供給轉子繞組交流勵磁，當雙饋發(fā)電機超同步速運行時，轉子繞組向外供電，經(jīng)轉子側變換器和電網(wǎng)側變換器向電網(wǎng)輸送電能，從而保證發(fā)電機輸出穩(wěn)定。

圖2 雙饋風力發(fā)電模擬試驗系統(tǒng)

勵磁控制器根據(jù)獲得的發(fā)電機參數(shù)，包括轉速、定子電壓電流、轉子電壓電流等，可對變換器輸出進行調(diào)節(jié)，供給發(fā)電機合適的勵磁，保持發(fā)電機輸出穩(wěn)定并使其發(fā)出的電能達到并網(wǎng)標準。

2.3 控制方法及其實現(xiàn)

勵磁控制器的主要功能是可以根據(jù)風速的變化，自動調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁，使發(fā)電機端電壓達到規(guī)定值，同時在發(fā)生過電壓、過電流、超載等故障時，勵磁控制器可與上位機進行通信，及時采取措施對機組進行保護。

由于雙饋風力發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)是一個典型的非線性系統(tǒng)，因此應用傳統(tǒng)的PID控制算法很難獲得滿意的效果。為此，可采用單神經(jīng)元自適應PID算法對發(fā)電機勵磁進行調(diào)節(jié)，這樣可使系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，保證發(fā)電機機端電壓和頻率等參數(shù)始終保持并網(wǎng)規(guī)定值，并可以排除一些外部擾動;當處于暫態(tài)過程時，可以避免系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)和振蕩。

2.4 單神經(jīng)元自適應PID控制器的設計

單神經(jīng)元自適應PID結合了神經(jīng)元控制與傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點，它具有自學習和自適應能力，具有較強的魯棒性，不但結構簡單，還解決了傳統(tǒng)PID不易進行在線實時整定參數(shù)、難于對一些復雜過程和參數(shù)慢時變系統(tǒng)進行有效控制的不足。

單神經(jīng)元自適應PID控制結構如圖3所示。

圖3 單神經(jīng)元自適應PID控制結構

圖3中x1(k)為系統(tǒng)誤差，x2(k)為一階差分，x3(k)為誤差累計，即:

神經(jīng)元特性設為

目標函數(shù)為

與常規(guī)PID算法相比較，單神經(jīng)元自適應PID控制算法可以較大地改變典型非線性時變對象的動態(tài)特性，可以適應過程時變特性，保證控制系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運行。

本文采用Hebb學習規(guī)則，學習算法為

式中:ηI、ηP、ηD——積分、比例、微分的學習速率;

K——神經(jīng)元的比例系數(shù)，K＞0。

對積分、比例、微分分別采用不同的學習速率ηI、ηP、ηD，可以對不同的權系數(shù)進行調(diào)整。這樣使得單神經(jīng)元自適應PID控制比傳統(tǒng)的PID控制有更好的抗干擾能力，使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性。

3 仿真試驗

根據(jù)單神經(jīng)元PID自適應算法，在仿真軟件中搭建試驗系統(tǒng)，雙饋發(fā)電機為2 MW風力發(fā)電機，發(fā)電機定子繞組直接與電網(wǎng)相連，轉子繞組接轉子側變流器，經(jīng)直流回路到達電網(wǎng)側變流器，從而構成雙向變流器，轉子繞組既可通過雙向變流器向電網(wǎng)輸送電能，也可通過網(wǎng)側變流器吸收電網(wǎng)電能。

雙向變流器的調(diào)節(jié)主要通過根據(jù)單神經(jīng)元自適應PID控制算法所設計出的調(diào)節(jié)器進行。主要對風速與功率的關系、風能利用率以及額定功率以上的系統(tǒng)輸出進行了仿真。系統(tǒng)仿真試驗波形如圖4～6所示。

圖4 風速與功率曲線

圖5 風力機Cp-λ曲線

圖6 額定風速以上輸出功率動態(tài)曲線

從圖中可以看出，采用單神經(jīng)元自適應PID算法對系統(tǒng)勵磁進行調(diào)節(jié)，可以很好地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時也可以使雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)能夠很好地追蹤最大風能利用率，保證系統(tǒng)的輸出能與并網(wǎng)規(guī)定值始終保持一致。

4 結 語

本文介紹了雙饋風力發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的設計方案。雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的核心技術是基于電力電子和微機控制的交流勵磁控制技術。無論是在穩(wěn)態(tài)運行還是在暫態(tài)運行過程中，雙饋發(fā)電機運行狀態(tài)都在很大程度上與勵磁有關，勵磁系統(tǒng)性能的好壞直接影響到風力發(fā)電機及電力系統(tǒng)運行的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。在該勵磁系統(tǒng)的設計中根據(jù)系統(tǒng)的運行特點，采用單神經(jīng)元自適應PID控制方法，獲得了滿意的控制效果。

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