并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組模擬控制策略

楊俊友， 王海鑫， 井艷軍， 邢作霞， 崔嘉

（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽110870）

并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組模擬控制策略

楊俊友， 王海鑫， 井艷軍， 邢作霞， 崔嘉

（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽110870）

為研究并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組輸出特性，便于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)深入研究風(fēng)電機(jī)組，提出風(fēng)電機(jī)組新型模擬控制策略，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機(jī)。研究了變槳控制器和轉(zhuǎn)矩控制器在起動過程中對轉(zhuǎn)速的耦合控制，并提出變增益PI控制算法實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的優(yōu)先控制。通過分析電網(wǎng)電壓故障下永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況，完善了模擬控制策略，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。針對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)研制了由控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和監(jiān)控系統(tǒng)組成的試驗(yàn)平臺，成功模擬了風(fēng)電機(jī)組輸出特性，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了風(fēng)電機(jī)組模擬控制策略的正確性和可靠性，可滿足風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)的條件。

轉(zhuǎn)矩控制；轉(zhuǎn)矩模擬；變槳控制；風(fēng)力機(jī)；試驗(yàn)平臺

0　引言

目前變速式風(fēng)電機(jī)組已成為主流機(jī)型，在運(yùn)行過程中面臨的問題如低電壓穿越、功率優(yōu)化及電能質(zhì)量等，受到國內(nèi)、外學(xué)者的廣泛關(guān)注。然而一般大型變速式風(fēng)電機(jī)組價(jià)格昂貴，給科研人員在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)、研究帶來了極大困難。研究人員通過電動機(jī)可有效模擬風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩氣動特性，但由于機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)中傳動鏈、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化及變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)直接影響風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩輸出，因此有必要研究風(fēng)機(jī)模擬系統(tǒng)，為研究風(fēng)電技術(shù)提供新途徑［1-3］。

近幾年部分學(xué)者對風(fēng)電機(jī)組模擬控制開展了一定的研究。文獻(xiàn)［4］采用開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)模擬，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模擬風(fēng)力機(jī)輸出功率，缺少對風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的模擬與分析。文獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)了基于RT-lab的無刷直流電機(jī)硬件在環(huán)模擬系統(tǒng)，利用電動機(jī)模擬了風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，沒有研究實(shí)際發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后的情況。文獻(xiàn)［6］基于矢量控制利用感應(yīng)電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)，分析了風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)特性與動態(tài)特性。但沒有研究并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和槳距角變化對風(fēng)輪氣動轉(zhuǎn)矩的影響。文獻(xiàn)［7］在不同風(fēng)速、負(fù)載等條件下進(jìn)行模擬，對模擬系統(tǒng)作了一定簡化，控制系統(tǒng)回路中引入了微分算子，易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。文獻(xiàn)［8］對比分析了風(fēng)力機(jī)靜態(tài)與動態(tài)模擬方法的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，沒有考慮風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)。文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)模擬，利用負(fù)載轉(zhuǎn)矩和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩共同覺得模擬電機(jī)的轉(zhuǎn)矩參考值，但沒有包含發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等控制算法。針對以上模擬控制方法存在的不足，本文基于轉(zhuǎn)矩觀測器通過用電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性?？紤]槳葉機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)時間慢，并設(shè)計(jì)變槳系統(tǒng)。研究了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速控制，分析了機(jī)組起動到脫網(wǎng)過程。最后分別對永磁、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真與試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

1　風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)模型

為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)模擬控制，必須考慮發(fā)電系統(tǒng)反饋轉(zhuǎn)速、功率對風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響，變槳系統(tǒng)對風(fēng)輪吸收風(fēng)能的多少至關(guān)重要，因此需建立由風(fēng)輪模擬系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)及變槳系統(tǒng)組成的風(fēng)電系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωg反饋值調(diào)節(jié)變槳系統(tǒng)輸出槳距角給定值β*，風(fēng)輪模擬系統(tǒng)吸收風(fēng)能后形成氣動轉(zhuǎn)矩Ta，拖動風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行。在一定風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行于最優(yōu)功率狀態(tài)時，葉尖速比以及轉(zhuǎn)速都達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，采用追蹤發(fā)電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速ωg，opt控制算法，經(jīng)過速度控制計(jì)算發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值Tg*，并向風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器發(fā)出PWM信號。風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型為［10］

式中：TG為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；i為齒輪箱變比；B為阻尼系數(shù)；ωr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；JW與JG分別為風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；Cp（λ，β）為風(fēng)能利用系數(shù)；λ為葉尖速比；β為槳距角；ρ為空氣密度；r為槳葉半徑；λopt為最佳葉尖速比；v為風(fēng)速。為計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的觀測器，如圖2所示，并通過式（3）計(jì)算得到ωg，opt。

圖1　風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1　Block diagram of wind power system structure

圖2　風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩觀測器結(jié)構(gòu)Fig.2　Wind turbine torque observer structure

圖2中發(fā)電機(jī)功率Pg與轉(zhuǎn)速ωg為測量值，T為時間常數(shù)。通過觀測器得出風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩觀測值，計(jì)算最優(yōu)轉(zhuǎn)速，并采用速度控制不斷減小最優(yōu)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差，實(shí)現(xiàn)風(fēng)功率最大捕獲。

通過跟蹤最優(yōu)轉(zhuǎn)速，在不同槳距角及葉尖速比下使風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)為最佳，其Cp值曲面如圖3所示。實(shí)際應(yīng)用中利用查表法直接得到最佳葉尖速比，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)模擬控制提供了方便。

圖3　Cp值曲面Fig.3　CpSurface

2　風(fēng)輪模擬與變槳系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用感應(yīng)電動機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。系統(tǒng)主控制器利用輸入風(fēng)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩反饋值計(jì)算風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，并給定至拖動電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后，主控制器給定變流器轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)指令，形成閉環(huán)控制。

1）風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩算法

為真實(shí)模擬風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩特性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)可調(diào)速范圍內(nèi)的并網(wǎng)過程，主控系統(tǒng)通過查Cp值調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，由式（2）轉(zhuǎn)換為

實(shí)際應(yīng)用中風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩特性還受到其他因素影響，其中兩個關(guān)鍵因素是［11］：當(dāng)一個槳葉轉(zhuǎn)動經(jīng)過塔筒時導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩減小的效應(yīng)，即塔影效應(yīng)；隨著距地面高度變化，風(fēng)速周期性變化導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩周期性變化，即風(fēng)切變效應(yīng)。這兩種輸出波動可由式（5）表示［5］為

式中：A=0.2；B=0.4。風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩算法如圖4所示。

圖4　風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩算法框圖Fig.4　Block diagram of wind turbine torque algorithm

主控系統(tǒng)調(diào)用湍流風(fēng)模型，空間濾波主要體現(xiàn)風(fēng)輪掃過面積的平均風(fēng)速變化。將固定點(diǎn)頻譜修正為掠過風(fēng)輪的平均風(fēng)速頻譜。濾波傳遞函數(shù)為［12］

其中：asf為經(jīng)驗(yàn)值（asf=0～55）；bsf為描述風(fēng)輪上不同點(diǎn)風(fēng)速變化關(guān)系的參數(shù)，bsf=γsf（r/νs），γsf=1.3，νs是輪轂上的平均風(fēng)速。旋轉(zhuǎn)采樣慮波包含了決定風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩變化的影響因素，它取決于在固定點(diǎn)風(fēng)速湍流部分的槳葉旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。某一給定點(diǎn)上，槳葉風(fēng)力波動特性與固定點(diǎn)風(fēng)速模型的湍流特性有所不同。由此風(fēng)輪模型得出風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩參考值發(fā)送至拖動系統(tǒng)控制單元，其中槳距角和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)反饋值。

2）拖動電機(jī)控制策略

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下將轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶喀譺定向于d軸，磁鏈方程為［13-14］

式中：ψrd、ψrq為轉(zhuǎn)子d、q軸磁鏈；isd、isq為定子d、q軸電流；ird、irq為轉(zhuǎn)子d、q軸電流；Lm、Lr為勵磁電感與轉(zhuǎn)子電感。拖動電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩TM為

式中：p0為極對數(shù)。將式（7）代入式（8），得

保持電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈不變，轉(zhuǎn)矩與isq具有線性關(guān)系，isd控制電機(jī)勵磁電流。根據(jù)轉(zhuǎn)子 d軸電流方程

式中：p為微分算子。轉(zhuǎn)子磁鏈ψr變化時，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)電流相應(yīng)變化。將式（10）代入式（7）求得

ψr變化時，按式（11）控制定子勵磁電流，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫勵磁。定子電流閉環(huán)控制器按照d、q軸分量形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩及功率波動特點(diǎn)給定電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩參考值TM*，形成轉(zhuǎn)矩外環(huán)控制。通過外環(huán)控制得出電流參考值，采集電機(jī)定子電流is，abc形成電流內(nèi)環(huán)控制，得出電機(jī)d、q軸電壓參考值usd*、usq*。變頻器矢量控制如圖5所示。

圖5　電機(jī)控制框圖Fig.5　Block diagram of motor control

3）變槳控制算法

變槳距系統(tǒng)中伺服系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由主控系統(tǒng)發(fā)出位置及轉(zhuǎn)速命令。由于變槳距系統(tǒng)電氣動態(tài)響應(yīng)時間要比機(jī)械動態(tài)響應(yīng)時間小很多，設(shè)計(jì)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)等效模型為

式中：τβ為時間常數(shù)。為補(bǔ)償風(fēng)輪非線性氣動特性，在變槳系統(tǒng)中通過增益調(diào)度算法進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)控制器如圖6所示。

圖6　變槳系統(tǒng)框圖Fig.6　Block diagram of pitch system

圖6中，風(fēng)機(jī)根據(jù)不同運(yùn)行階段設(shè)定轉(zhuǎn)速目標(biāo)值ωg*，轉(zhuǎn)速目標(biāo)值與實(shí)際轉(zhuǎn)速做比較，并作為變槳控制器的輸入?？紤]不同槳葉位置的風(fēng)能利用系數(shù)差距較大，引入增益調(diào)度1/G（β）改變槳距角調(diào)節(jié)系數(shù)，為實(shí)現(xiàn)槳葉穩(wěn)定運(yùn)行對變化率進(jìn)行限幅。

3　發(fā)電系統(tǒng)控制策略

3.1基于變增益PI的速度控制

由于采用拖動電機(jī)及電力電子裝置模擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩特性，系統(tǒng)具有一定的滯后性。另外，在機(jī)組起動并網(wǎng)后且槳葉尚在開槳階段時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速同時受槳距和轉(zhuǎn)矩控制器二者約束。槳距控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差改變槳距角指令，轉(zhuǎn)矩控制器根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差改變轉(zhuǎn)矩指令，對轉(zhuǎn)速實(shí)施耦合控制。為提高系統(tǒng)響應(yīng)能力，使機(jī)組槳葉盡快達(dá)到目標(biāo)位置吸收較大功率，提出基于變增益PI速度控制，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)轉(zhuǎn)速與最大風(fēng)能跟蹤控制，即控制目標(biāo)為使系統(tǒng)輸出ωg不斷跟蹤最優(yōu)轉(zhuǎn)速參考值ωg，opt。在起動過程中槳距控制優(yōu)先于轉(zhuǎn)矩控制，使機(jī)組轉(zhuǎn)速大幅度爬升。當(dāng)槳葉達(dá)到目標(biāo)位置后，轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)先于槳距控制，此后槳距控制主要控制機(jī)組額定功率。設(shè)計(jì)控制算法為

3.2并網(wǎng)控制

永磁與雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)因其結(jié)構(gòu)、特性不同，轉(zhuǎn)矩控制算法也不同。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵磁電流一般設(shè)為常值零，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流隨轉(zhuǎn)速變化。對采用矢量控制的永磁、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬控制進(jìn)行驗(yàn)證，其具體控制算法如文獻(xiàn)［15-17］。

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3 m/s時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始起動，未到達(dá)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速前，槳葉處于開槳階段，槳距角、風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速較小，此階段主要模擬風(fēng)輪與變槳系統(tǒng)。根據(jù)轉(zhuǎn)速變化由主控系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳距角，根據(jù)風(fēng)速、槳距角由查表法選擇最佳Cp值，計(jì)算風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩參考值。拖動系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器計(jì)算轉(zhuǎn)矩電流參考值isq*，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器得出電壓參考值，向功率模塊發(fā)出PWM信號。

當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，網(wǎng)側(cè)變流器完成電容充電合閘，機(jī)側(cè)變流器開始動態(tài)調(diào)節(jié)勵磁電流。對于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，變流器直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流向電網(wǎng)發(fā)電。對于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子勵磁電流使發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生電壓，檢測定子電壓滿足并網(wǎng)要求后閉合并網(wǎng)開關(guān)，且調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流向電網(wǎng)發(fā)電。若未達(dá)到并網(wǎng)要求，轉(zhuǎn)速被變槳系統(tǒng)維持在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速以下。

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組完成并網(wǎng)后，主控系統(tǒng)根據(jù)反饋電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速得出變流器轉(zhuǎn)矩參考值，此階段主要模擬風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)及變槳系統(tǒng)。并網(wǎng)后機(jī)組發(fā)出功率，負(fù)荷增加，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩增加且隨風(fēng)功率變化。當(dāng)達(dá)到額定風(fēng)速后，變槳系統(tǒng)將發(fā)電功率保持在額定功率以下。當(dāng)風(fēng)速低于起動風(fēng)速時，發(fā)電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩降為零，變流器與電網(wǎng)斷開，槳葉處于關(guān)槳階段。

3.3低電壓穿越控制

為驗(yàn)證所提出并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)模擬控制算法的有效性，在電網(wǎng)電壓跌落情況下，采用永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真分析，實(shí)現(xiàn)其低電壓穿越功能。由于電網(wǎng)電壓跌落，導(dǎo)致變流器母線電壓驟升，向電網(wǎng)輸出電流增大。傳統(tǒng)低電壓穿越控制策略為定子及直流母線回路增加額外回路或者增大變流器過流、過壓能力，增加了機(jī)組成本。為此提出機(jī)側(cè)變流器與變槳改進(jìn)控制策略，完善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬控制算法進(jìn)行完善。當(dāng)電網(wǎng)電壓故障時迅速有效降低發(fā)電機(jī)輸出功率，為穩(wěn)定電網(wǎng)電壓故障時直流母線電壓，提出如下低電壓穿越變槳控制與轉(zhuǎn)矩控制算法為

式中：Kβ、Tβ為電網(wǎng)故障下變槳控制比例；積分系數(shù)；udc

*與udc為直流母線電壓給定值與實(shí)際值；Vg為電網(wǎng)電壓標(biāo)幺值。檢測到電網(wǎng)電壓低于0.9時，轉(zhuǎn)矩與變槳控制切換為如式（12）所述控制算法。當(dāng)?shù)碗妷汗收铣掷m(xù)到超過允許時間625 ms沒有回升時，風(fēng)電機(jī)組需完全退出運(yùn)行，直流母線電容并聯(lián)卸荷電路維持2～3 s時間，卸荷電路如圖7所示。

圖7　卸荷電路Fig.7　Unloading circuit

卸荷電路在母線電壓超出規(guī)定值時使用，相比單純的耗能電路而言，結(jié)構(gòu)簡單，能耗較小，不需要考慮較多成本與散熱難題。卸荷電路由電阻和IGBT組成，其阻值大小表征機(jī)組可承受穿越功率的能力。

通過對永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬控制策略建模，進(jìn)行低電壓穿越仿真，永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)：齒輪箱變比i為1；風(fēng)輪槳葉數(shù)3；槳葉半徑62.94 m；風(fēng)輪轉(zhuǎn)速0～20 r/min；額定風(fēng)速12 m/s；電動機(jī)額定功率15 kW；電動機(jī)額定電壓400 V；電動機(jī)額定電流30 A；電動機(jī)額定頻率51 Hz；電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min；永磁發(fā)電機(jī)額定功率10 kW；發(fā)電機(jī)定子額定電壓380 V；發(fā)電機(jī)定子額定電流30 A；發(fā)電機(jī)額定頻率50 Hz；發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速110 r/min；發(fā)電機(jī)定子電阻0.9 Ω；發(fā)電機(jī)直軸電抗4.2 Ω；發(fā)電機(jī)交軸電抗16.6 Ω；直流母線電壓580 V。仿真時間為1 s，在0.03 s時電網(wǎng)電壓跌落至20%，跌落時間為625 ms，圖8～圖10為仿真結(jié)果。

圖8　電網(wǎng)電壓跌落曲線Fig.8　Grid voltage drop curve

圖9　發(fā)電機(jī)有功功率Fig.9　Generator active power

圖10　直流母線電壓曲線Fig.10　DC bus voltage curve

圖8為電網(wǎng)電壓跌落曲線。電網(wǎng)電壓跌落瞬間，母線電壓增大，發(fā)電機(jī)功率立即由10 kW減小至2 kW左右，如圖9所示。隨后由于功率有效減少，母線電壓逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。在0.655 s時恢復(fù)電網(wǎng)電壓正常，功率也跟隨恢復(fù)正常值，由于功率變化率較大，導(dǎo)致母線電壓出現(xiàn)波動，如圖10所示?；陲L(fēng)力機(jī)模擬控制策略實(shí)現(xiàn)了永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越功能。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪模擬控制算法對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有效性和真實(shí)性，研制了一套10 kW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型機(jī)組試驗(yàn)平臺，具備兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的基本功能。在模型機(jī)組中，采用電動機(jī)直接拖動發(fā)電機(jī)，并通過齒輪帶動輪轂。感應(yīng)電動機(jī)由變頻器控制，雙饋發(fā)電機(jī)由基于矢量控制的雙PWM變流器控制。輪轂內(nèi)采用伺服電機(jī)驅(qū)動槳葉開、關(guān)槳，樣機(jī)如圖11所示。

圖11　風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型樣機(jī)Fig.11　Prototype of wind power system

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)：并網(wǎng)轉(zhuǎn)速范圍800～1 500 r/min；齒輪箱變比97；機(jī)械制動方式為高速軸液壓抱閘；雙饋發(fā)電機(jī)額定功率10 kW；定子額定電壓380 V；定子額定電流22 A；轉(zhuǎn)子額定電流5.7 A；轉(zhuǎn)子開口電壓1 047 V；額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min；定子電阻0.73 Ω；定子電抗0.66 Ω；磁化電抗22.8 Ω；轉(zhuǎn)子電阻0.59 Ω；轉(zhuǎn)子電抗1.29 Ω；風(fēng)輪模擬系統(tǒng)參數(shù)與永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一致。

主控系統(tǒng)調(diào)用由美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)FAST軟件生成的湍流風(fēng)速，使風(fēng)輪模擬系統(tǒng)吸收風(fēng)能，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起動。達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機(jī)投入勵磁電流進(jìn)入并網(wǎng)狀態(tài)。通過計(jì)算得出風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，由拖動電機(jī)模擬并驅(qū)動發(fā)電機(jī)，給定變流器功率因數(shù)為1.0，雙饋風(fēng)力發(fā)電模型機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果如圖12～17所示。

圖12　湍流風(fēng)速Fig.12　Turbulent wind

圖13　風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩Fig.13　Wind turbines torque

圖14　發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.14　Generator speed

圖15　發(fā)電機(jī)有功功率Fig.15　Generator active power

圖16　Cp值曲線Fig.16　Cpcurve

圖17　槳距角Fig.17　Pitch angle

通過以上結(jié)果可以看出，模型機(jī)組在約3 s時開始并入電網(wǎng)。隨著槳距角不斷增大，模型機(jī)組吸收的模擬風(fēng)功率不斷增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增加，發(fā)電機(jī)功率與模擬的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩增大，同時，槳距角開槳至0°。盡管風(fēng)速變化波動很大，拖動系統(tǒng)中模擬的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩變化趨勢較為平滑。隨著Cp值不斷增大，在機(jī)組起動開槳階段，轉(zhuǎn)速受槳葉控制因素較多，處于迅速上升階段。當(dāng)正常運(yùn)行后，槳葉位置較為穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速受發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制，處于穩(wěn)定變化范圍內(nèi)。風(fēng)能利用系數(shù)Cp值在25 s左右突然變化，使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波動。從30 s之后Cp值逐步穩(wěn)定，機(jī)組也逐步穩(wěn)定。為了進(jìn)一步驗(yàn)證電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩模擬特性，在上述模型機(jī)并網(wǎng)試驗(yàn)情況較穩(wěn)定后記錄了80 s的電動機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖18～20所示。

圖18　電動機(jī)轉(zhuǎn)矩Fig.18　Motor torque

由圖18可以看出，在風(fēng)速變化較大的情況下，通過模型機(jī)組拖動系統(tǒng)控制，電動機(jī)所模擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩受風(fēng)速大小等參數(shù)影響，轉(zhuǎn)矩波動情況與實(shí)際基本一致，達(dá)到了預(yù)期試驗(yàn)效果。對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩偏差進(jìn)行PI控制，計(jì)算得出轉(zhuǎn)矩電流參考值，由轉(zhuǎn)矩電流偏差經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器，控制電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。試驗(yàn)結(jié)果表明電流實(shí)際值較穩(wěn)定跟蹤參考值變化，且與實(shí)際轉(zhuǎn)矩變化波形基本一致，轉(zhuǎn)矩動態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)較快，如圖19、圖20所示。

圖19　電動機(jī)轉(zhuǎn)矩電流參考值Fig.19　Motor torque current reference

圖20　電動機(jī)轉(zhuǎn)矩電流實(shí)際值Fig.20　Motor actual torque current

5　結(jié)論

1）通過跟蹤最優(yōu)轉(zhuǎn)速方法實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，并分別針對永磁與雙饋兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)，驗(yàn)證了風(fēng)電機(jī)組模擬控制策略的正確性，并對其進(jìn)行了完善。對風(fēng)輪模擬采用轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)了更加準(zhǔn)確地模擬風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩特性。試驗(yàn)結(jié)果表明可以通過最優(yōu)轉(zhuǎn)速跟蹤保證轉(zhuǎn)風(fēng)力機(jī)矩特性更加穩(wěn)定。

2）并網(wǎng)前風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速受槳距角約束，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩較小。并網(wǎng)后在開槳階段轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)矩控制器與變槳控制器同時對轉(zhuǎn)速實(shí)施耦合控制。通過所提基于變增益PI的轉(zhuǎn)速控制算法，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的優(yōu)先控制，使槳葉快速到達(dá)目標(biāo)位置，提高機(jī)組效率。

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（編輯：劉琳琳）

Imitation control strategy of grid-connected wind power system

YANG Jun-you， WANG Hai-xin， JING Yan-jun， XING Zuo-xia， CUI Jia
（School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

In order to research output characteristics of grid-connected wind power system and conduct research on wind power system in a laboratory，a new imitation control strategy of wind power system was proposed，and wind power generator was driven by a motor imitating wind turbine.Couple control of pitch controller and torque controller for speed was analyzed in the starting process.A variable gain PI controller was proposed to realize priority control for speed.Operation of permanent magnet wind power generator with grid voltage fault was analyzed to implement the imitation control strategy，and verified by simulation.Experimental platform was set up for double-fed wind power generator including control system，actuators and monitoring system.Torque output characteristics were successfully imitated，and parallel in the grid for double-fed wind power generator was realized.The correctness and reliability of imitation control strategy for wind power system were verified by experiments，which meets wind power system experimental requirements.

torque control；imitation of torque；pitch control；wind turbine；experimental platform

10.15938/j.emc.2016.03.007

TM 315

A

1007-449X（2016）03-0043-08

2014-05-03

國家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項(xiàng)目（NY20150303）

楊俊友（1963—），男，博士，教授，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)，特種電機(jī)及其控制等；

王海鑫（1989—），男，博士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制技術(shù)；

井艷軍（1982—），男，博士，講師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)；

邢作霞（1976—），女，博士，副教授，研究方向?yàn)榉植际侥茉窗l(fā)電技術(shù)；

崔嘉（1987—），男，博士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)電場無功控制。

王海鑫