基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能和變槳距控制的DFIG功率平滑控制

張晴晴，牛玉廣，代云飛

(華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

0 引言

風(fēng)能是一種開發(fā)成本較低、清潔、安全、可再生的能源形式，并越來(lái)越受到重視［1］。由于自然界的風(fēng)速具有間歇性和波動(dòng)性，隨著風(fēng)電場(chǎng)大量并入電網(wǎng)，輸出功率的波動(dòng)往往會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，影響電能質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定，因此，如何使風(fēng)電機(jī)組輸出的功率較為平滑成為研究熱點(diǎn)。

輸出功率的平滑控制為風(fēng)電機(jī)組控制的重要環(huán)節(jié)，功率平滑控制策略主要分為兩種［2］:加儲(chǔ)能裝置和不加儲(chǔ)能裝置控制策略。文獻(xiàn)［3-5］分別加入飛輪、燃料電池、超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置，但增加了風(fēng)電場(chǎng)的投入成本。文獻(xiàn)［6］提出了一種變槳距控制策略，但變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性一般較大。文獻(xiàn)［7］利用風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能，這種控制策略利用系統(tǒng)的能量守恒來(lái)平滑輸出功率波動(dòng)。

在風(fēng)速變化較快時(shí)，由于變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)慣性較大，僅僅通過變槳距控制調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率，很難達(dá)到理想效果;而僅使用轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制犧牲功率則較多，本文提出了一種在全風(fēng)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制和變槳距控制相結(jié)合的功率平滑控制策略，該控制策略在全風(fēng)速范圍內(nèi)控制槳距角大小，并利用發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的動(dòng)能來(lái)平滑輸出功率。將該控制策略應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組半物理實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上，控制效果理想，驗(yàn)證了該控制算法平滑輸出功率波動(dòng)的有效性。

1 輸出功率平滑控制策略

傳統(tǒng)的MPPT控制策略是:額定風(fēng)速以下，槳距角保持不變，每一個(gè)確定風(fēng)速都對(duì)應(yīng)有最大輸出功率Pmax;額定風(fēng)速以上，通過調(diào)節(jié)槳距角的大小使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率保持在額定值附近。

1.1 轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制

風(fēng)速波動(dòng)時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率也會(huì)相應(yīng)的波動(dòng)。假設(shè)Pwave為風(fēng)機(jī)一段時(shí)間內(nèi)在MPPT控制策略下輸出的平均功率。由于風(fēng)速和風(fēng)能利用系數(shù)變化而引起的風(fēng)能波動(dòng)ΔEw為:

這部分風(fēng)能的波動(dòng)導(dǎo)致了輸出功率的波動(dòng)，平滑控制策略的提出就是為了平滑這部分由于風(fēng)能波動(dòng)所導(dǎo)致的輸出功率波動(dòng)。當(dāng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生功率大于Pwave時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變大，轉(zhuǎn)速增加所產(chǎn)生的一部分動(dòng)能儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)子端;當(dāng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生功率小于Pwave時(shí)，為保證輸出功率平穩(wěn)，儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)子端的動(dòng)能減小，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變小。平滑控制策略就是將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子看作虛擬的儲(chǔ)能裝置，其儲(chǔ)存的能量可以用來(lái)補(bǔ)償輸出功率的波動(dòng)。

采用上述輸出功率平滑控制策略，風(fēng)機(jī)不是工作在MPPT相應(yīng)的最大功率點(diǎn)上，所以輸出功率的平均值小于Pwave。假設(shè)輸出功率Pw=K*Pwave，其中K用來(lái)表征系統(tǒng)的效率，K＜1，K值越大，系統(tǒng)的效率越高，反之亦然。ωw為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，其與風(fēng)機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)矩關(guān)系為:Tw=Pw/ωw

圖1 K值不同時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系［7］

如圖1所示，當(dāng)K=1時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線同MPPT控制策略下曲線有一個(gè)交點(diǎn)，此時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子端沒有動(dòng)能來(lái)補(bǔ)償由于風(fēng)速波動(dòng)引起的功率波動(dòng)，功率輸出依舊波動(dòng)較大。當(dāng)K=0.9時(shí)，相應(yīng)的曲線有兩個(gè)交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速分別為ωmax，ωmin，此時(shí)轉(zhuǎn)子端可以用來(lái)補(bǔ)償功率波動(dòng)的動(dòng)能大小為:

其中J為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，要平滑風(fēng)能波動(dòng)所導(dǎo)致的輸出功率波動(dòng)，公式(2)所得的動(dòng)能要大于或等于公式(1)中風(fēng)能波動(dòng)，由此可得當(dāng)0＜K≤0.97時(shí)，轉(zhuǎn)子端有足夠的動(dòng)能來(lái)平滑輸出功率的波動(dòng)。

為平滑風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，首先要計(jì)算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在MPPT控制策略下的輸出功率值Pmax，再求出風(fēng)機(jī)一段時(shí)間內(nèi)在MPPT控制策略下輸出的平均功率Pwave。

式中t為當(dāng)前時(shí)間，T指求平均值的積分時(shí)間。根據(jù)式(4)可求出用來(lái)平滑風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率波動(dòng)的轉(zhuǎn)子端所儲(chǔ)存的功率大小ΔP為 :

風(fēng)機(jī)功率平滑策略下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量公式如下所示:

經(jīng)過上式變換實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的平滑，且該平滑的轉(zhuǎn)速ωsmooth為:

1.2 變槳距控制

傳統(tǒng)MPPT控制策略中，當(dāng)風(fēng)速高于額定值時(shí)，變槳距控制啟動(dòng)，使輸出功率穩(wěn)定在額定值附近。功率平滑控制策略中，當(dāng)風(fēng)速小于額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)給定功率值偏離了機(jī)組最佳功率的最大值，所以要調(diào)節(jié)槳距角來(lái)控制汲取的風(fēng)能，這樣才能保證功率的平衡。本文設(shè)計(jì)的變槳距控制系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 變槳距控制系統(tǒng)控制框圖

如圖2所示，ωw為風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，ωref為風(fēng)速高于額定值時(shí)的轉(zhuǎn)速參考輸入值，ωsmooth為風(fēng)電機(jī)組的平滑轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)中，在額定風(fēng)速以上和以下分別設(shè)計(jì)了不同的PI控制器，可保證在風(fēng)速超過額定值時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在額定值附近。風(fēng)速低于額定值時(shí)，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速可以跟蹤相應(yīng)的平滑轉(zhuǎn)速。

1.3 輸出功率平滑控制策略

傳統(tǒng)的MPPT控制策略中，發(fā)電機(jī)有功功率的給定值與發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的三次方成正比，這就導(dǎo)致了輸出功率給定值的波動(dòng)。本文的功率平滑控制策略在全風(fēng)速范圍內(nèi)結(jié)合變槳距控制和轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制，本質(zhì)是通過給定風(fēng)電機(jī)組平滑的輸出功率值實(shí)現(xiàn)平滑控制。圖3所示為DFIG輸出功率平滑控制策略的控制框圖。

圖3中的變槳距控制系統(tǒng)采用圖2的控制系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)速小于額定值時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速ωw經(jīng)過轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制得到平滑的輸出轉(zhuǎn)速ωsmooth，風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和該平滑轉(zhuǎn)速的偏差Δωa作為槳距角控制系統(tǒng)的輸入值，使風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以跟蹤平滑轉(zhuǎn)速ωsmooth;ωref為額定風(fēng)速相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，當(dāng)風(fēng)速高于額定值時(shí)，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和ωref的偏差Δωb作為槳距角控制系統(tǒng)的輸入值，可保證風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在額定值附近。

上述所得平滑輸出轉(zhuǎn)速可得相應(yīng)平滑輸出功率，該功率可作為輸出功率給定值來(lái)參與風(fēng)電機(jī)組的功率控制。總之，經(jīng)過輸出功率平滑控制，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)、平滑控制，且實(shí)現(xiàn)了全風(fēng)速范圍的槳距角控制。

圖3 DFIG輸出功率平滑控制策略控制框圖

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組半物理實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組半物理實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是利用硬件在環(huán)仿真技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的全數(shù)字化的風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，可在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下快速的開發(fā)和驗(yàn)證控制算法，使得控制器在進(jìn)行真實(shí)機(jī)組測(cè)試之前就能夠進(jìn)行全面的閉環(huán)測(cè)試，從而能夠控制風(fēng)機(jī)的輸出功率，為風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化調(diào)度提供基礎(chǔ)研究平臺(tái)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組半物理實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行多核平臺(tái)的并行運(yùn)行。主要由上位機(jī)、路由器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流控制器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控器組成，如圖4所示。上位機(jī)監(jiān)控界面用于人機(jī)交互，用戶可設(shè)定仿真環(huán)境條件和進(jìn)行仿真操作。路由器用于將仿真系統(tǒng)組成局域網(wǎng)以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。仿真器用于運(yùn)行實(shí)時(shí)風(fēng)機(jī)整機(jī)模型，包括機(jī)械模型和電氣模型。變流器用于運(yùn)行實(shí)時(shí)的變流控制模型，對(duì)仿真器的電氣模型進(jìn)行控制。主控器運(yùn)行實(shí)時(shí)的主控模型，對(duì)仿真器的機(jī)械模型進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)變槳。

3 仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提出的功率平滑控制策略的正確性，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組半物理實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上搭建風(fēng)機(jī)模型，仿真系統(tǒng)中，槳葉半徑:35 m/s、空氣密度:1.25 kg/m3、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 390 000 kg·m2。

為評(píng)價(jià)平滑控制策略的有效性，本文以輸出功率的標(biāo)準(zhǔn)差σ來(lái)表征其平滑程度，該值越小表明輸出功率波動(dòng)越小，平滑性越好。以輸出功率的平均值Pmean來(lái)表征控制系統(tǒng)的效率，Pmean值越大表明控制效率越高，其中n為采樣次數(shù)，Pi為第i此采樣的輸出功率值，本文中采樣次數(shù)n取100，表達(dá)如下所示:

圖4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組半物理實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖

圖5 實(shí)時(shí)風(fēng)速曲線

系統(tǒng)中額定風(fēng)速為12 m/s，模擬的實(shí)時(shí)風(fēng)速v=12±Δv，Δv為 0～6 m/s之間的隨機(jī)風(fēng)速，如圖5所示。
在此風(fēng)速下，輸出功率的傳統(tǒng)MPPT控制和平滑控制相應(yīng)的仿真曲線如圖6所示。

由上圖中的實(shí)時(shí)仿真曲線可見，MPPT控制策略下，輸出功率的尖峰較多，表明波動(dòng)較大，而在功率平滑策略中，尖峰明顯減少且幅值減小，功率波動(dòng)顯著減小。

圖7、圖8為在MPPT控制策略和平滑控制策略輸出功率的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值曲線。
由圖7可以看出，與傳統(tǒng)的MPPT控制策略相比，平滑控制策略的標(biāo)準(zhǔn)差值σ明顯偏小且隨著K值的減小而減小，也就是說(shuō)平滑控制算法中，K值越小，輸出功率越平滑。由圖8可知，MPPT的輸出功率平滑值較平滑控制策略打，但隨著K值的減小，平均值變小。綜上可知，傳統(tǒng)的MPPT控制策略雖然最大程度的捕獲了風(fēng)能，但是輸出的功率波動(dòng)較大;平滑控制策略中雖然犧牲了一部分功率，但卻得到了平滑的輸出功率，且K值越小，輸出功率波動(dòng)越小。

圖6 不同控制策略下輸出功率波動(dòng)曲線

圖7 輸出功率標(biāo)準(zhǔn)差曲線

圖8 輸出功率平均值曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組半物理實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)仿真結(jié)果表明，功率平滑控制算法在沒有添加任何電力電子等原件的情況下，通過在全風(fēng)速范圍內(nèi)結(jié)合變槳距控制和轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制，可以有效的抑制因風(fēng)速的不確定性而導(dǎo)致的功率輸出波動(dòng)。該控制算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需添加任何輔助設(shè)備，抑制輸出功率波動(dòng)效果顯著，但同最大風(fēng)能追蹤控制策略相比需要犧牲一定的輸出功率。

［1］陳波，吳政球.基于約束因子限幅控制的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)有功功率平滑控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(27):130-136.

［2］HOWLADER AM，URASAKI N，YONA A，et al.A review of output power smoothing methods for wind energy conversion systems［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，26(25):135-136.

［3］CáRDENAS R，PENA R，ASHER G，et al.Power smoothing in wind generation systems using a sensorless vector controlled induction machine driving a flywheel［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion ，2004，19(1):206-216.

［4］IQBAL M.Modeling and control of a wind fuel cell hybrid energy system［J］.Renewable Energy，2003，28(2):223-237.

［5］MUYEEN S，TAKAHASHI R，MURATA T，et al.Integration of an energy capacitor system with a variable-speed wind generator［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24(3):740-749.

［6］YAMAZAKI T，TAKAHASHI R，MURATA T，et al.Smoothing control of wind generator output fluctuations by new pitch controller［C］.Proceedings of 18th International Conference on Electrical Machines，IEEE ，F(xiàn)rench，Sept.6-9，2008.

［7］ABEDINI A，LUU T，NASIRI A.A novel speed control algorithm for PMSG wind turbines aimed at output power smoothing［C］.Proceedings of the Electrical and Computer Engineering，IEEE，Canada，May.4-7，2008.