稀土永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)控制策略研究

馬宏革 鞏真

包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030

引言

稀土永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是一種由風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，亦稱無齒輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于目前在某些兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中齒輪箱是容易過載和損壞率較高的部件，而無齒輪箱的直驅(qū)方式能有效地減少由于齒輪箱磨損問題而造成的機(jī)組故障，可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和壽命，減少維護(hù)成本，因而得到了市場(chǎng)青睞。

1 稀土永磁直驅(qū)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

稀土永磁式直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)輪、永磁發(fā)電機(jī)、全功率變流器、變壓器及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。風(fēng)輪從風(fēng)中捕獲風(fēng)能,并通過傳動(dòng)系統(tǒng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，風(fēng)輪帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)將獲得的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，全功率變流器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的電能經(jīng)變壓器送入電網(wǎng)。

2 變流系統(tǒng)

在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中，變流系統(tǒng)主電路采用交－直－交結(jié)構(gòu)，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的能量送入電網(wǎng)。其中交－直變換部分采用三相不控整流器，直－直變換部分采用雙重升壓斬波器，直－交變換部分采用兩重 PWM 逆變器。將直驅(qū)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及其變流系統(tǒng)的主電路圖確定為如圖 1 所示。

變流主電路由以下幾部分組成：永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，三相不控整流電路，雙重升壓斬波電路，制動(dòng)單元，兩重并網(wǎng)逆變電路，濾波電路。

圖1 稀土永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在交－直－交變流控制系統(tǒng)中，為了滿足運(yùn)行過程中有良好的動(dòng)態(tài)特性，就需要在保證發(fā)電機(jī)輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓變化的同時(shí)，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的諧波電流；在提供穩(wěn)定的功率基礎(chǔ)上，具有可控制的功率因數(shù)；在控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)便的情況下，使得發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可控。

3 面向最大功率追蹤的轉(zhuǎn)矩與槳距角控制策略

3.1 變槳控制

由于變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到限制，對(duì)快速變化的風(fēng)速，通過改變節(jié)距來輸出功率的效果并不理想。因此，為了優(yōu)化功率曲線，其功率反饋信號(hào)不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。變槳系統(tǒng)由風(fēng)速低頻分量和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，風(fēng)速的高頻分量產(chǎn)生的機(jī)械能波動(dòng)，通過迅速改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行平衡，通過電流控制器對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率進(jìn)行控制，即隨著風(fēng)速變化，調(diào)節(jié)動(dòng)能形式，是功率曲線達(dá)到理想狀態(tài)。變槳距控制機(jī)構(gòu)示意圖如圖 2所示。

圖2 變槳距控制機(jī)構(gòu)

由于自然界風(fēng)速處于不斷變化中，較短時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速上升或下降總是不斷的發(fā)生，因此變槳距機(jī)構(gòu)也在不斷的動(dòng)作，從而獲得最大的功率輸出。

3.2 機(jī)組運(yùn)行區(qū)域的劃分和控制目標(biāo)

根據(jù)風(fēng)速情況以及永磁式直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率特性,機(jī)組的運(yùn)行可以劃分成四個(gè)區(qū)域,如圖3所示。不同區(qū)域的運(yùn)行目標(biāo)不同,轉(zhuǎn)矩和槳距角的控制也各有側(cè)重。

圖3 風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

1）第一個(gè)區(qū)域?yàn)閱?dòng)和并網(wǎng)工作區(qū),當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)并且機(jī)組滿足啟動(dòng)條件,機(jī)組由待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)入到啟動(dòng)狀態(tài),在這一階段，沒有轉(zhuǎn)矩控制，槳距角控制目標(biāo)是保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)上升，在并網(wǎng)時(shí)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定。

2）第二個(gè)區(qū)域?yàn)樽罴讶~尖速比工作區(qū)，機(jī)組切入電網(wǎng)后運(yùn)行在額定風(fēng)速以下的工作區(qū)域，由于此區(qū)域中風(fēng)速?zèng)]有達(dá)到額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)送入電網(wǎng)的功率必然小于額定值，所以機(jī)組的控制目標(biāo)是風(fēng)能的最大捕獲，提高機(jī)組的發(fā)電量。

3）第三個(gè)區(qū)域?yàn)楹戕D(zhuǎn)速工作區(qū)，隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，這時(shí)機(jī)組進(jìn)入恒轉(zhuǎn)速區(qū)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，隨著風(fēng)速增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定，功率在達(dá)到極值之前一直增大，這既可以由轉(zhuǎn)矩控制完成，也可以由槳距角控制完成。

4）第四個(gè)區(qū)域?yàn)楹愎β使ぷ鲄^(qū),一旦在T4點(diǎn)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩,在所有更高的風(fēng)速中，轉(zhuǎn)矩給定量基本保持恒定,并由槳距角控制來調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速。在這一區(qū)域，由于受風(fēng)電機(jī)組各部件機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的限制,主要通過槳距角控制來限制風(fēng)輪獲取能量，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保持在額定功率點(diǎn)發(fā)電，因此控制目標(biāo)是盡可能提高風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率和保證風(fēng)電機(jī)組獲得平穩(wěn)的功率輸出。

3.3 轉(zhuǎn)矩和槳距角控制策略

如圖4所示,在最佳葉尖速比工作區(qū)和恒轉(zhuǎn)速工作區(qū),系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊控制實(shí)時(shí)控制永磁發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速的變化,保持最佳葉尖速比,從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。高風(fēng)速時(shí),在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)矩保持額定轉(zhuǎn)矩,保證吸收功率的穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)機(jī)組的變速恒頻運(yùn)行。

在最佳葉尖速比工作區(qū)和恒轉(zhuǎn)速工作區(qū),保持最優(yōu)槳距角不變；在恒功率工作區(qū),系統(tǒng)采用模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制通過變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制槳距角的變化,以保證機(jī)組的輸出功率在允許范圍之內(nèi),利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化來存儲(chǔ)或釋放部分能量,以提高功率傳輸鏈的柔性,使機(jī)組輸出功率更加平穩(wěn)。

圖4 轉(zhuǎn)矩和槳距控制框圖

4 最大風(fēng)能捕獲

大部分時(shí)間里，風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)速較低，額定風(fēng)速以下運(yùn)行是機(jī)組運(yùn)行的主要工作方式，這種情況下機(jī)組的控制目標(biāo)就是捕獲最大風(fēng)能，永磁式直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的最大風(fēng)能捕獲也是針對(duì)這一目標(biāo)提出來的。

設(shè)定不同的風(fēng)速，就可以得到風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率和角速度的關(guān)系。在某一確定風(fēng)速下,風(fēng)力機(jī)的功率曲線上有一最優(yōu)轉(zhuǎn)速和最大功率點(diǎn)。在一組不同的風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率特性,將不同風(fēng)速下的最大功率點(diǎn)連接起來,就得到最佳功率曲線。

5 結(jié)語

通過理論分析，本文提出了稀土永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變流電路的主電路拓?fù)洳捎貌豢卣?雙重?cái)夭?兩個(gè)PWM并網(wǎng)逆變結(jié)構(gòu)形式；采用變槳距控制系統(tǒng)，面向最大功率追蹤的轉(zhuǎn)矩與槳距角控制；以及系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲的稀土永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)控制策略，使稀土永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)功率可以得到提高。

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