變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制仿真

高 揚，于會群，張 浩，彭道剛

0 引言

風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，近年來越來越受到各國的重視。風(fēng)力發(fā)電由于具有零污染、投資周期短、占地少等優(yōu)點，故裝機速度近年來迅速提升。風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)，目前有變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)、定槳距失速調(diào)節(jié)技術(shù)、主動失速調(diào)節(jié)技術(shù)、變速恒頻技術(shù)4 種［1～13］。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，因其具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率較高、可靈活調(diào)節(jié)有功和無功等特點，近年來得到了廣泛應(yīng)用。本文就其控制策略建立模型并仿真，力求得出具有指導(dǎo)意義的理論結(jié)果。

1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本原理

目前，國內(nèi)外已建或新建的大型風(fēng)電場中的風(fēng)電機組多采用變速恒頻(Variable Speed Constant Frequency，VSCF)風(fēng)電系統(tǒng)運行方式。當(dāng)風(fēng)速改變時，VSCF 風(fēng)電系統(tǒng)可適時地調(diào)節(jié)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，使之保持最佳狀態(tài)，使風(fēng)能利用系數(shù)Cp接近或達到最佳，可實現(xiàn)對風(fēng)能最大限度地捕獲。與恒速恒頻(Constant Speed Constant Frequency，CSCF)風(fēng)電系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的發(fā)電效率大為提高，轉(zhuǎn)速運行范圍也較寬，而且可靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功。

交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)主要由風(fēng)力機、增速箱、雙饋異步發(fā)電機、變壓器、雙PWM 變頻器、濾波器、控制系統(tǒng)、槳距角控制等幾部分構(gòu)成。由交流異步發(fā)電機的基本原理可得下列關(guān)系:

式中:fs為定子電流頻率，Hz;n 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min;p 為電機極對數(shù);fr為轉(zhuǎn)子電流頻率，Hz。

圖1 雙饋異步發(fā)電機系統(tǒng)

雙饋發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機結(jié)構(gòu)相類似，運行時定子繞組通過變壓器與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子則通過雙PWM 變頻器和變壓器與電網(wǎng)相連接。設(shè)定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的同步速為ns，根據(jù)雙饋電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋發(fā)電機可有以下3 種運行狀態(tài):當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n ＜ns時，轉(zhuǎn)子繞組相序和定子繞組的相序相同，雙PWM 變頻器向轉(zhuǎn)子提供交流勵磁電流，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也相同，fr前取正號，定子向電網(wǎng)發(fā)出電能;當(dāng)n ＞ns時，轉(zhuǎn)子繞組相序和定子繞組的相序相反，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也相反，fr前取負(fù)號，同時由定子和轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)發(fā)出電能，能量在雙PWM 變頻器中逆向流動;當(dāng)n =ns時，fr=0，變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁，發(fā)電機作同步發(fā)電機運行，定子向電網(wǎng)發(fā)出電能。由以上分析可知，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速n 伴隨著風(fēng)速的改變而變化時，若通過變頻器隨時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值、頻率、相位，使發(fā)電機能在亞同步速、同步速、超同步速作變速恒頻運行，這就是發(fā)電機變速恒頻運行的基本原理［1，14～15］。

2 交流勵磁風(fēng)力發(fā)電機功率特性及其風(fēng)能捕獲策略

2.1 功率特性

交流勵磁風(fēng)力發(fā)電機的機械功率為［2］:

式中:ρ 為風(fēng)力機所在處的空氣密度;R 為風(fēng)力機的風(fēng)輪半徑;Cp為風(fēng)力發(fā)電機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)換效率，即風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù);λ 為葉片頂端的速度(圓周速度)除以風(fēng)接觸葉片之前很遠(yuǎn)距離上的速度，即葉尖速比;β 為風(fēng)機葉片與風(fēng)輪平面的夾角，即槳距角;v 為即時風(fēng)速;n 為風(fēng)力機葉片的轉(zhuǎn)速。當(dāng)槳距角固定時，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp與葉尖速比λ 的關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖2 葉尖速比λ與風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp 關(guān)系曲線

設(shè)定一種風(fēng)速，然后取不同的轉(zhuǎn)速n，根據(jù)式(3)計算出相應(yīng)的葉尖速比λ，由圖2 找到對應(yīng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp值，根據(jù)公式(2)，就可得到這種風(fēng)速下風(fēng)力機的輸出機械功率。以風(fēng)力機的機械角速度ωm為橫軸，輸出的機械功率Pm為縱軸，得到如圖3 所示的關(guān)系曲線。改變風(fēng)速，得到的風(fēng)力機在不同風(fēng)速v 時輸出的機械功率Pm和風(fēng)力機機械角速度ωm的關(guān)系如圖3 所示［2～3］。

圖3 風(fēng)力機輸出的機械功率和機械角速度關(guān)系曲線

圖3 中A，B，C 3 點分別為風(fēng)速v1，v2，v3時風(fēng)力機輸出的機械功率Pm的最大點，其中v1＜v2＜v3。由圖3 可以看出: (1)在相同的機械角速度ωm下，瞬時風(fēng)速v 越大，風(fēng)力機輸出的機械功率Pm也就越大;(2)在相同的瞬時風(fēng)速v 下，風(fēng)力機輸出的機械功率Pm在某一特定的機械角速度ωm下存在著極大值;(3)增大瞬時風(fēng)速v，風(fēng)力機的機械功率Pm的最大值所對應(yīng)的機械角速度ωm也隨之增大［4］。

2.2 最優(yōu)風(fēng)能捕獲策略

風(fēng)速v 為定值時，由圖3 可以看出，此時存在著唯一的最大機械功率輸出點，相應(yīng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp也最大。但實際風(fēng)速是經(jīng)常變化的、隨機的，且規(guī)律性很差。當(dāng)實際風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，風(fēng)力機按照圖2 所示的某一固定的槳距角β運行，調(diào)節(jié)發(fā)電機反轉(zhuǎn)矩使其機械角速度ωm跟隨風(fēng)速v 的變化而變化，保持發(fā)電機在最佳的葉尖速比λ 下運行，輸出機械功率最大，從而追蹤最優(yōu)的功率曲線，實現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲。當(dāng)實際風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，采取改變風(fēng)力機機械角速度ωm與改變槳距角β 的雙重調(diào)節(jié)，依靠機械調(diào)節(jié)槳距角β，改變風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp，限制風(fēng)力機獲得的能量，使風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速和功率得到控制，從而保證發(fā)電機功率輸出的穩(wěn)定性，風(fēng)電機組就不會超出轉(zhuǎn)速極限和功率極限運行，從而保護風(fēng)機和發(fā)電機不受損壞［5～6，14］。

2.3 變槳控制

在風(fēng)速低于額定風(fēng)速情況下，槳距角設(shè)定為0°，保持恒定的最佳葉尖速比，從而實時追蹤最佳功率曲線;當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，增大槳距角，失速調(diào)節(jié)，發(fā)電機保持額定功率輸出。

3 雙饋電機變換器的控制系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)側(cè)PWM 變換器控制策略

網(wǎng)側(cè)PWM 變換器控制策略如圖4 所示［9～12］。

本系統(tǒng)采用雙環(huán)控制，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，并在定子繞組上建立靜止坐標(biāo)系a1－b1，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d －q;同時設(shè)q 為定子繞組上靜止坐標(biāo)系α1軸與d 軸的夾角;ea，eb，ec為網(wǎng)側(cè)PWM 變換器交流側(cè)的三相電壓;id，iq是網(wǎng)側(cè)三相電流ia，ib，ic經(jīng)派克變換得到的兩個分量;L，R 分別為交流側(cè)進線的電感和電阻。

圖4 網(wǎng)側(cè)變換器控制策略圖

在進行單位功率因數(shù)調(diào)節(jié)時，設(shè)iq=0，由功率因數(shù)所決定;和分別為電壓分量，為解耦項;Δud和Δuq分別為d，q 軸電壓耦合補償項;電流反饋值id，iq分別與，相比較，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)，輸出電壓，，再與電壓的解耦補償項Δud，Δuq，及前饋補償項ed，eq進行運算，得到的，作為指令電壓;指令電壓，再經(jīng)坐標(biāo)變換，得到a－b 坐標(biāo)系中的電壓分量，，然后輸入到網(wǎng)側(cè)變流器，進行PWM 調(diào)制，從而產(chǎn)生的驅(qū)動信號，對網(wǎng)側(cè)變流器進行控制［7～8］。

在這里引入電網(wǎng)電壓ed和eq進行前饋補償?shù)哪康模菫榱藢崿F(xiàn)d 軸和q 軸電流的解耦控制，從而可以對無功功率和有功功率進行有效的獨立控制。原理式如下:

3.2 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM 變換器控制策略

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在變速恒頻方式下運行時，矢量控制需要選取的定向參考矢量較多，最常見的是定子磁鏈定向與定子電壓定向［13～15］。本文采取定子磁鏈定向矢量控制。控制策略如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制圖

在轉(zhuǎn)子上建立兩相靜止坐標(biāo)系α2－β2，設(shè)α2軸和α1軸的夾角為θr。θ 與θr相減得到α2軸與α軸的夾角。根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)速v 計算出相應(yīng)的風(fēng)力機最佳葉尖速比λ 的機械角速度ω 值，作為轉(zhuǎn)速參考值，再與轉(zhuǎn)速反饋值ωref相比較，將比較后所得到的值送入PI 控制器，從而得到轉(zhuǎn)子電流給定值。根據(jù)風(fēng)電系統(tǒng)對無功的要求計算出無功電流的給定值。系統(tǒng)整體無功功率由網(wǎng)側(cè)變換器來調(diào)節(jié)［13］。

以上控制策略是基于以下原理制定的。

假設(shè)將ω1定向在同步坐標(biāo)系d-q 的d 軸上，ω1為定子磁鏈ωs的幅值。ωds=ω1為d 軸上的磁鏈分量，ωqs=0 為q 軸上的磁鏈分量，u 為定子電壓矢量的幅值，根據(jù)電動機慣例，則有uds=0 和uqs=u。按照瞬時功率理論，交流勵磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機定子側(cè)發(fā)出的有功、無功功率可寫為:

由上式可以看出，定子側(cè)輸出的有功功率和無功功率分別與轉(zhuǎn)子電流分量iqr和idr成線性關(guān)系，分別調(diào)節(jié)iqr和idr就可以調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。

4 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制運行仿真

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型如圖6 所示，參數(shù)如下:發(fā)電機的額定功率是1 500 kW，額定電壓是0.575 kV，額定頻率f =50 Hz，定子電阻Rs和定子漏感Lls分別為0.023 p．u．，0.18 p．u．;轉(zhuǎn)子電阻Rt和轉(zhuǎn)子漏感Llr分別為0.016 p．u．，0.16 p．u．;激磁電感LM為2.9 p．u．，轉(zhuǎn)子的極對數(shù)為3。風(fēng)機輸入平均風(fēng)速為9.8 m/s 時的最佳葉尖速比為λopt=6.5。

圖6 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型

4.2 仿真結(jié)果及分析

圖7 為風(fēng)速的仿真模型，圖8 和圖9 分別為定、轉(zhuǎn)子三相電流仿真結(jié)果，圖10 為定子側(cè)有功功率和無功功率仿真結(jié)果，圖11 為直流母線電壓的調(diào)節(jié)控制結(jié)果。從圖10 可以看出，經(jīng)過短暫的調(diào)節(jié)過程之后，定子側(cè)有功功率和無功功率實現(xiàn)了解耦控制。隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化，定子側(cè)有功功率雖然發(fā)生了改變，但能快速跟蹤轉(zhuǎn)速的變化，動態(tài)響應(yīng)很快，而無功功率卻不受影響，基本維持在0 附近，說明定子側(cè)有功功率和無功功率實現(xiàn)了解耦控制。從圖11 看出，直流母線電壓隨著風(fēng)速的波動，很快達到了平衡，說明了定子側(cè)對其進行了很好的控制。

圖7 風(fēng)速模型

圖8 定子三相電流

圖9 轉(zhuǎn)子三相電流

圖10 定子側(cè)有功功率、無功功率

圖11 直流母線電壓

5 結(jié)論

本文首先介紹了交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機的基本運行原理;然后對風(fēng)力機的功率特性和風(fēng)能捕獲策略進行了分析;其次，在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對追蹤最大風(fēng)能的控制策略進行了研究;再次，在雙饋電機變換器的控制系統(tǒng)中，采用定子磁場定向的矢量變換控制技術(shù)，控制發(fā)電機輸出有功功率，來調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從而獲得了發(fā)電機有功功率和無功功率的解耦控制，為追蹤與捕獲最大風(fēng)能創(chuàng)造了條件，并且對直流母線電壓進行了很好的調(diào)節(jié);最后，設(shè)置了系統(tǒng)仿真參數(shù)，對所建立的模型進行了計算機仿真，并對仿真結(jié)果進行了分析。仿真結(jié)果證明，所建模型正確，所提出的控制策略恰當(dāng)。

目前該項控制研究中只應(yīng)用了簡單的PID 控制，其對于線性系統(tǒng)控制性能較為良好，但是對于參數(shù)經(jīng)常變化系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的控制仍有不足，下一步將要對于槳距控制引入智能控制、并網(wǎng)控制進行調(diào)節(jié)。

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