1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)控制策略優(yōu)化分析

李曉江，李亞男，崔　銳

(1.山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司,山西長治046021； 2. 國家電網(wǎng)山西長治供電公司，山西長治046021)

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1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)控制策略優(yōu)化分析

李曉江1，李亞男2，崔銳1

(1.山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司,山西長治046021； 2. 國家電網(wǎng)山西長治供電公司，山西長治046021)

摘要：為有效分析密度變化對風(fēng)機(jī)全年輸出功率的影響，利用Matlab平臺搭建了1.5 MW直驅(qū)風(fēng)機(jī)仿真模型，并將功率信號反饋法嵌入此仿真模型，能較好模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程的全程控制。通過對仿真數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，基于此模型，得出Kopt固定和Kopt變化兩種控制策略的功率曲線，對其數(shù)據(jù)分析可知，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)全年功率可平均提升約1%。

關(guān)鍵詞：控制策略；建模；仿真

0引言

1風(fēng)機(jī)常規(guī)控制策略

本文以1.5 MW直驅(qū)風(fēng)機(jī)變速變槳距調(diào)節(jié)方式進(jìn)行分析探討，在風(fēng)機(jī)整個運(yùn)行過程中，大致可以分為3個階段[3]：(1)啟動階段；(2)最大功率追蹤階段；(3)恒轉(zhuǎn)速階段。風(fēng)機(jī)全程控制中轉(zhuǎn)速-扭矩曲線如圖1所示。

圖1　直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組常規(guī)的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線

內(nèi)蒙某風(fēng)場風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率時風(fēng)速為12 m/s,其風(fēng)頻分布圖如圖2所示，從圖中可看出風(fēng)機(jī)長期運(yùn)行的風(fēng)速區(qū)間3～10 m/s，處于圖1中的B-C最大功率跟蹤階段，此區(qū)間控制思想為：在此階段，風(fēng)機(jī)主要控制目標(biāo)就是捕捉最大的風(fēng)能，即風(fēng)機(jī)槳距角總處于機(jī)組設(shè)計(jì)的最小角度，始終追求最大風(fēng)能利用系數(shù)Cp，進(jìn)而獲得最大風(fēng)能[4]。

圖2　風(fēng)頻分布圖

同一風(fēng)速下，不同的轉(zhuǎn)速使風(fēng)機(jī)輸出不同的功率，但始終會存在一個最佳轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)獲得最大風(fēng)能，輸出最大功率[5]。連接不同風(fēng)速下與最佳轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大功率點(diǎn)就可形成一條最佳功率曲線，見圖3。最佳功率、最優(yōu)轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系：

(1)

(2)

圖3　最佳功率MaxPower曲線

風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率、扭矩和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，可確定最大扭矩和轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)最大功率輸出[6]。為了實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，本文選取了應(yīng)用最多的功率信號反饋法。此方法以風(fēng)機(jī)的最佳功率曲線為控制對象。在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，通過測量風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而計(jì)算該轉(zhuǎn)速下的最佳功率Popt，以Popt作為風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的有功功率指令，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行至最佳轉(zhuǎn)速和最佳葉尖速比，控制原理圖如圖4所示。

圖4　功率信號反饋法控制原理圖

2密度自適應(yīng)控制策略

ρ=1.293×10^(-h(18 400×(1+0.003 674t)))/(1+0.003 674t)

(3)

風(fēng)機(jī)的控制方式一般采用查表法來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)風(fēng)機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速查到所需轉(zhuǎn)矩需求值，再通過風(fēng)機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩之間的平衡關(guān)系來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。從而使風(fēng)機(jī)保持最佳葉尖速比λopt狀態(tài)。風(fēng)機(jī)若要在此狀態(tài)下長期運(yùn)行，則需對所測密度ρ進(jìn)行實(shí)時修正[8]。將所測密度通過修正系數(shù)k進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，保證機(jī)組在變空氣密度的情況下也能始終維持在λopt運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，達(dá)到最大功率輸出，優(yōu)化的控制如圖5所示。

盡管如此，本期我們選出的贏家是富士X-H1，因?yàn)楫?dāng)你考慮到其他題材的拍攝時，富士X-H1的優(yōu)勢就能體現(xiàn)出來。首先，更輕更薄的機(jī)身讓它用起來更沒有“負(fù)擔(dān)”，無論拍攝照片還是拍攝視頻，對焦過程都可以高速完成，豐富的膠片模擬功能對于喜歡直出的用戶非常友好，大幅增加了耐玩度。除此之外，設(shè)計(jì)精巧的快門組件工作起來非常安靜，首次出現(xiàn)于富士機(jī)身的防抖機(jī)構(gòu)對拍攝幫助也很大，最后，別忘了可全角度翻轉(zhuǎn)的LCD屏幕。綜上特性，富士X-H1在絕大多數(shù)使用條件下都要比尼康D500用起來更舒心。

3模型建立

圖5　優(yōu)化控制方案

圖6　永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖-雙PWM背靠背方案

本文選取含有雙PWM背靠背電壓源型變頻器(VSC)的永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)組(PMSG)作為研究對象，其基本結(jié)構(gòu)見圖6。圖中：fe為發(fā)電機(jī)的電頻率；ug為電機(jī)側(cè)變頻器VSC1的輸入電壓；CDC直流電容；與電網(wǎng)系統(tǒng)相聯(lián)的VSC2可控制直流側(cè)電壓；與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相聯(lián)的VSC1可根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速[9]。

完整的 PMSG 模型及其控制框圖見圖7。

圖7　PMSG模型

4模型驗(yàn)證

基于圖6和圖7理論，可運(yùn)用Matlab/Simulink仿真軟件建立PMSG仿真模型進(jìn)行仿真，模擬機(jī)械扭矩隨空氣密度發(fā)生變化時，最優(yōu)增益系數(shù)KOPT分別以定值和變化值(隨空氣密度變化而變化)兩種情況加以控制[10]，然后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證控制方案的有效性。對風(fēng)速在3～10 m/s連續(xù)變化的情況進(jìn)行仿真，在風(fēng)速變化過程中發(fā)電機(jī)組的仿真數(shù)據(jù)如圖8所示，仿真功率與理論功率基本一致，也就驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性[11]。

圖8　仿真數(shù)據(jù)比較圖

5仿真效果分析

圖9為風(fēng)機(jī)整個運(yùn)行過程的仿真曲線，0～18 s為風(fēng)機(jī)最大功率跟蹤階段，功率隨著風(fēng)速的增大而不斷上升，當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率時，機(jī)組開始變槳，不再以追求最大風(fēng)能吸收系數(shù)Cp為目標(biāo)，此時以額定功率、額定轉(zhuǎn)速、額定扭矩為最終調(diào)整目標(biāo)。因此，此模型能夠很好模擬風(fēng)機(jī)整個運(yùn)行過程。

圖9　兩種控制方案下的輸出功率和Cp比較圖

為了分析1年中兩種控制方案下的功率輸出差值，選取溫度-20 ℃，-10 ℃，10 ℃，20 ℃作為代表溫度，同時為了確保模型準(zhǔn)確性及風(fēng)機(jī)運(yùn)行于最大功率跟蹤階段，選取風(fēng)速6 m/s，7 m/s，8 m/s為代表風(fēng)速，并以12種組合進(jìn)行仿真，兩種控制方案下的仿真數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10　兩種控制方案下的仿真數(shù)據(jù)對比

由圖10可以計(jì)算功率提升量(%)=100%·(Kopt變化功率-Kopt固定功率)/Kopt固定功率。

6 m風(fēng)速功率平均提升：6 m風(fēng)速(4種溫度)功率提升(%)之和/4=1.09%。

7 m風(fēng)速功率平均提升：7 m風(fēng)速(4種溫度)功率提升(%)之和/4=0.98%。

8 m風(fēng)速功率平均提升：8 m風(fēng)速(4種溫度)功率提升(%)之和/4=1.00%。

-20 ℃功率平均提升：-20 ℃(3種風(fēng)速)功率提升(%)之和/3=0.84%。

-10 ℃功率平均提升：-10 ℃(3種風(fēng)速)功率提升(%)之和/3=1.24%。

10 ℃功率平均提升：10 ℃(3種風(fēng)速)功率提升(%)之和/3=1.07%。

20 ℃功率平均提升：20 ℃(3種風(fēng)速)功率提升(%)之和/3=0.95%。

由仿真數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果可以分析得出，在6～8 m/s風(fēng)速下，功率平均提升約1%，在-20～20 ℃溫度下，功率平均提升約1%，在最大功率跟蹤階段，Kopt變化時的功率輸出均略大于Kopt固定時的功率輸出，Kopt變化時的最大風(fēng)能吸收系數(shù)略大于Kopt固定時的最大風(fēng)能吸收系數(shù)。在最大功率跟蹤階段對控制策略進(jìn)行優(yōu)化，全年功率可平均提升1%。從全年氣候來看，當(dāng)風(fēng)速不變，輸出功率隨著溫度的升高(即空氣密度ρ降低)略有下降，本文提出的以風(fēng)速、溫度為輸入信號的仿真模型能直接地反應(yīng)出風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與風(fēng)速、溫度的關(guān)系，并能反映出最優(yōu)增益系數(shù)變化時功率的變化趨勢[12]。

6結(jié)論

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。同時，在功率反饋法的基礎(chǔ)上，引入了密度自適應(yīng)控制策略，通過修正系數(shù)k對密度進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，保證機(jī)組在變空氣密度時始終維持在λopt運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，達(dá)到最大功率輸出。經(jīng)仿真數(shù)據(jù)分析可得，優(yōu)化后的控制策略使風(fēng)機(jī)全年功率可平均提升約1%。

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Control Strategy Optimization Analysis for 1.5 MW PMSG

LI Xiaojiang1，LI Yanan2，CUI Rui1

(1. Shanxi Zhangshan Electric Power Co.,Ltd.,Changzhi 046021,China;2. State Grid Changzhi Power Supply Company, Changzhi 046021,China )

Abstract：In this paper, using MATLAB platform to build the 1.5 MW PMSG simulation model in order to effectively analyze the influence of density variation on the annual output power of fan. And the power signal feedback method is embedded into the simulation model, which can better simulate the whole process control of fan operation. By comparing the simulation data with the field data, the accuracy of the model is verified.Based on this model the power curve of the two control strategies ofKoptfixed andKoptvariation are obtained. The data analysis shows that, the fan power after optimization can improve the average of about 1%.

Keywords：control strategy;modeling;simulation

收稿日期：2016-04-20。

作者簡介：李曉江(1980-)，男，工程師，研究方向?yàn)閺?fù)雜機(jī)組控制與建模、直驅(qū)風(fēng)機(jī)控制策略優(yōu)化等，E-mail：lsxiaoj@163.com。

中圖分類號:TN911.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.008