直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略的研究

張巍偉

(天津環(huán)通電子工程有限公司 天津300457)

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略的研究

張巍偉

(天津環(huán)通電子工程有限公司 天津300457)

風(fēng)能具有隨機(jī)性和突變性的特點(diǎn)，而風(fēng)力機(jī)又受限于其機(jī)械強(qiáng)度，不易實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲。以直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，對(duì)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的基本方法進(jìn)行了論述。

風(fēng)力發(fā)電 直驅(qū)型 風(fēng)力機(jī) 永磁同步電機(jī)

伴隨著科技的快速發(fā)展，發(fā)電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)以及軟件開(kāi)發(fā)應(yīng)用技術(shù)被應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電中，進(jìn)一步推動(dòng)了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的革新。目前，以雙饋型風(fēng)力發(fā)電和直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電為典型代表的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因其可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大功率跟蹤成為當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的主流。

1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是由風(fēng)力機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、增速齒輪箱以及變流器等主要部件構(gòu)成的。雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of a double-fed wind power generation system

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能并轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸與增速齒輪箱轉(zhuǎn)軸相連，經(jīng)過(guò)一定的升速控制后達(dá)到發(fā)電機(jī)運(yùn)行所需轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，通常要求發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能頻率與電網(wǎng)頻率保持一致，這就需要將發(fā)電機(jī)定子與變流器連接，經(jīng)過(guò)變流轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生符合電網(wǎng)要求的電能輸入電網(wǎng)。同時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子也要與變流器相連，以保證發(fā)電機(jī)在超過(guò)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子也處于發(fā)電狀態(tài)。這就是雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理。

雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常采用交流勵(lì)磁異步發(fā)電機(jī)，由于該發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)，這就使雙饋型發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)不同于普通異步發(fā)電機(jī)。與普通異步發(fā)電機(jī)相比，該電機(jī)在轉(zhuǎn)子繞組上加有集電環(huán)和電刷，這種結(jié)構(gòu)使它具有異步電機(jī)的某些特性而又不完全相同。

1.1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

①該系統(tǒng)對(duì)變流系統(tǒng)加上適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，可?shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)側(cè)輸出的有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。②系統(tǒng)需要進(jìn)行變頻控制的功率僅是發(fā)電機(jī)額定容量的三分之一，因此對(duì)變頻器的容量要求不高，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。③發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速上下 30%的范圍內(nèi)，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，并減少了在調(diào)速時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，提高了整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行效率。

1.2 雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)

①由于雙饋型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組上加有電刷和集電環(huán)，使電機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，電機(jī)維護(hù)更加困難，同時(shí)系統(tǒng)可靠性降低。②在風(fēng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間安裝了增速齒輪箱，但齒輪箱價(jià)格昂貴，而且在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲污染及機(jī)械損耗，使系統(tǒng)維護(hù)更加困難，所需維護(hù)費(fèi)相應(yīng)增加，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。③由于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其相應(yīng)的控制系統(tǒng)就更加復(fù)雜。

2 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要是由風(fēng)力機(jī)、低速永磁同步發(fā)電機(jī)、變流器及其控制系統(tǒng)各部分構(gòu)成。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2。

圖2 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of a direct-driven wind power generation system

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用的是低速永磁同步發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)速不高的情況下就可以產(chǎn)生電能，滿足了風(fēng)力機(jī)即使低速運(yùn)行也可以與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接相連的要求。與雙饋型風(fēng)電系統(tǒng)相比較，除了該系統(tǒng)采用的發(fā)電機(jī)類型與雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不同外，其風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間取消了增速齒輪箱的安裝，避免了由于安裝增速齒輪箱給系統(tǒng)造成的諸多不利。永磁體成本的降低及電力電子技術(shù)的大力發(fā)展，為直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本運(yùn)行原理是：風(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接相連，風(fēng)力機(jī)將吸收到的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能后直接傳送給發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)速是不斷變化的，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能是頻率和幅值都在不斷變化的交流電能。我們需要先將這些電能經(jīng)過(guò)變流系統(tǒng)的整流器整流后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，再經(jīng)過(guò)一定的升壓變換及控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，輸送到變流系統(tǒng)中的逆變器中，最后將直流電轉(zhuǎn)換成幅值和頻率均符合電網(wǎng)要求的三相交流電，輸送到電網(wǎng)上。

2.1 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

①永磁同步發(fā)電機(jī)與普通異步發(fā)電機(jī)相比，其轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁繞組和集電環(huán)，這種結(jié)構(gòu)不僅簡(jiǎn)單，更提高了系統(tǒng)的可靠性；同時(shí)，在發(fā)電的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生銅損，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。②永磁同步發(fā)電機(jī)同樣可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，提高功率因數(shù)。③和雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于去掉了齒輪箱，不僅使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提高了系統(tǒng)的可靠性，更避免了由于使用齒輪箱而產(chǎn)生的噪聲污染、機(jī)械損耗以及由此引發(fā)的高額系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用。④與雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有較好的低電壓穿越能力，系統(tǒng)可靠性更高。

2.2 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)

①永磁體價(jià)格昂貴，大大增加了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。②系統(tǒng)需要進(jìn)行變頻控制的功率與發(fā)電機(jī)額定容量相等，故對(duì)變頻器的容量要求較高。③永磁同步發(fā)電機(jī)體積通常比較龐大，且隨著近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的不斷增大，發(fā)電機(jī)輸出額定功率也在不斷增大，永磁同步發(fā)電機(jī)的體積相應(yīng)增大，定子繞組絕緣等級(jí)要求增高。

然而，隨著近十幾年永磁體成本的大幅降低及全功率電力電子變流器容量的不斷增大，使直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐步改進(jìn)，相對(duì)于雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)也逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，因此這種機(jī)型越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的共同關(guān)注，成為當(dāng)今風(fēng)電領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

3 實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的MPPT算法

目前人類需要迫切尋找綠色環(huán)保的新能源作為化石能源的替代物，但由于風(fēng)能具有隨機(jī)性和突變性的特點(diǎn)，因此對(duì)于最大風(fēng)能的捕獲也比較困難。MPPT(Maximum Power Point Tracking)算法是實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的基本方法。目前國(guó)內(nèi)外研究中的MPPT算法有很多，針對(duì)各風(fēng)電場(chǎng)的不同情況，采用不同規(guī)格的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，這些發(fā)電機(jī)組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，所采用的 MPPT算法也不相同，但歸納起來(lái)主要包括以下4種：

3.1 葉尖速比法

這種控制方法的基本原理是：系統(tǒng)安裝實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的裝置，根據(jù)葉尖速比計(jì)算公式計(jì)算出實(shí)時(shí)的葉尖速比值。將該值與系統(tǒng)給定的最佳葉尖速比λopt進(jìn)行比較，將差值作為系統(tǒng)控制單元的輸入，經(jīng)控制單元調(diào)節(jié)，發(fā)出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，使風(fēng)電系統(tǒng)一直工作在最佳葉尖速比的工作狀態(tài)下，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大功率跟蹤。其控制示意圖如圖3所示：

圖3 葉尖速比法控制框圖Fig.3 Block diagram of the tip speed ratio method

該種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但由于必須加裝實(shí)時(shí)的風(fēng)速以及電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，因而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。同時(shí)由于這兩種裝置很難實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的精確測(cè)量，因此會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成一定誤差，難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大功率跟蹤。

3.2 功率曲線法

這種控制方法的基本原理是：系統(tǒng)需要安裝風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速及風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率的測(cè)量裝置，測(cè)量在不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速ω和風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率P，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)可以得到系統(tǒng)的最大功率輸出曲線。將某一風(fēng)輪轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)最大輸出功率與實(shí)際測(cè)得的輸出功率作對(duì)比，將其差值作為功率控制器的輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)輸出，從而使系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)狀態(tài)下。其控制示意圖如圖4所示：

圖4 功率曲線法控制框圖Fig.4 Block diagram of the power curve method

這種控制方法的缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)復(fù)雜，且必須對(duì)每臺(tái)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

3.3 爬山搜索法

這種控制方法的基本原理是：將當(dāng)前檢測(cè)到的功率與上次檢測(cè)到的功率進(jìn)行對(duì)比，如果比較的結(jié)果為正，則保持上一次指令的更新方向；反之，則改變指令的更新方向。這樣反復(fù)比較最終跟蹤到系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，并使系統(tǒng)保持在該點(diǎn)附近反復(fù)變化。其控制示意圖如圖5所示：

圖5 爬山搜索法控制框圖Fig.5 Block diagram of the climbing search method

這種控制方法用相關(guān)指令代替了檢測(cè)信號(hào)。與前兩種控制方法相比，該方法不需要知道風(fēng)力機(jī)的準(zhǔn)確特性，控制簡(jiǎn)單靈活。但如果該系統(tǒng)應(yīng)用于大功率場(chǎng)合，由于系統(tǒng)的慣性較大，因此控制效果會(huì)不太理想。

3.4 智能控制法

隨著智能控制理論的發(fā)展，以模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制為代表的智能控制技術(shù)不斷引入到風(fēng)電控制系統(tǒng)中。MPPT模糊邏輯控制器可以在天氣多變的條件下進(jìn)行工作，然而它的有效性很大程度上取決于使用者的經(jīng)驗(yàn)或選擇正確的誤差計(jì)算并用一個(gè)模糊表格來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法跟蹤最大功率點(diǎn)的效果取決于隱含層采用的算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練的程度。由于風(fēng)力機(jī)的特性會(huì)隨著時(shí)間而改變，為了保證跟蹤的準(zhǔn)確性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必須進(jìn)行周期性訓(xùn)練。

4 結(jié) 論

在大力開(kāi)展風(fēng)能利用的今天，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量正在不斷增加，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性和效率的要求也在不斷提高。此外，并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量從最初的數(shù)十千瓦級(jí)已發(fā)展到現(xiàn)在的兆瓦級(jí)；控制方式從基本單一的定槳距失速向全槳葉變距和變速恒頻發(fā)展。隨著智能控制型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出現(xiàn)與應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性從20世紀(jì)80年代初的50%提高到現(xiàn)在的95%以上，并且在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部可以實(shí)現(xiàn)集中控制和遠(yuǎn)程控制。根據(jù)今后的發(fā)展趨勢(shì)，風(fēng)電場(chǎng)將從內(nèi)陸轉(zhuǎn)移到海上，其發(fā)展空間將更加廣闊。

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Strategy of Maximum-power-point Tracing and Controlling for the Direct-driven Wind Power Generation System

ZHANG Weiwei
(Tianjin Huantong Electronical Engineering Co., Ltd.，Tianjin 300457，China)

Due to the randomness and discontinuity，as well as the limitation of wind turbines，wind power can not be captured at the maximum extent. The paper took an example of direct-driven wind power generation system to discuss on basic ways of achieving the maximum wind power.

wind power；direct-driven；wind turbine；PMSM

TK83

A

1006-8945(2014)06-0065-03

2014-05-09