風(fēng)速影響下的風(fēng)機(jī)變流器控制策略研究

李 潔， 劉 巖

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

風(fēng)速影響下的風(fēng)機(jī)變流器控制策略研究

李 潔， 劉 巖

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

風(fēng)能是目前規(guī)?；_發(fā)利用的一種高效清潔的可再生能源。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究備受關(guān)注，脈沖寬度調(diào)制(PWM)變流器控制研究已經(jīng)成為當(dāng)今風(fēng)電研究領(lǐng)域的重要方向之一。為改善風(fēng)力發(fā)電中風(fēng)速變化對(duì)雙饋風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)(DFIG)的影響，對(duì)風(fēng)機(jī)變流器的直接功率控制方法進(jìn)行研究和改進(jìn)，提出了一種基于Smith預(yù)估模型的自適應(yīng)模糊PI控制策略。在經(jīng)典PI控制策略的基礎(chǔ)上，采用具有自學(xué)習(xí)、自整定功能的自適應(yīng)模糊PI調(diào)節(jié)，引入Smith預(yù)估模型，利用PSCAD軟件進(jìn)行仿真，優(yōu)化變流器的控制方法，解決系統(tǒng)的純滯后問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，在風(fēng)速波動(dòng)的情況下，該方案能使DFIG穩(wěn)定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的魯棒性。同時(shí)，其輸出電能可以滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)。基于Smith預(yù)估模型的自適應(yīng)模糊PI控制策略具有較高的可行性和優(yōu)越性。

新能源； 風(fēng)力發(fā)電； 發(fā)電機(jī)； Smith預(yù)估模型； 模糊自適應(yīng)； PI控制

0 引言

近年來，新能源發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他新能源發(fā)電技術(shù)。在風(fēng)場(chǎng)規(guī)模以及裝機(jī)容量不斷增大的情況下，風(fēng)力發(fā)電要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，不可避免會(huì)給電能質(zhì)量帶來一定的沖擊。脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)技術(shù)不斷發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用于雙饋風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)(doubly-fed induction generator， DFIG)[1]，能有效減小風(fēng)力發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)造成的不良沖擊[2]?？紤]到風(fēng)速的不斷波動(dòng)，風(fēng)機(jī)槳葉受慣性影響，對(duì)風(fēng)機(jī)的控制產(chǎn)生一定的滯后性。本文結(jié)合變流器直接功率方法，提出Smith模型模糊自適應(yīng)PI策略[3]，優(yōu)化了變流器的控制方法，顯著提高了風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性[4]。

1 變流器的控制策略

在當(dāng)今風(fēng)電研究領(lǐng)域，對(duì)PWM變流器控制的研究已成為一個(gè)潮流，不斷涌現(xiàn)出新的控制策略，如直接電流策略、直接功率策略等。本文結(jié)合DFIG，在考慮風(fēng)速波動(dòng)的前提下，對(duì)變流器的直接功率控制方法進(jìn)行研究，采用Smith預(yù)估模型來解決系統(tǒng)的純滯后性。

1.1 機(jī)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型

變流器與風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子相連，提供轉(zhuǎn)子的電流補(bǔ)償頻率[5]，使風(fēng)電機(jī)組能平穩(wěn)工作，保證定子電壓頻率維持在50 Hz。電力系統(tǒng)電壓的頻率不變，并網(wǎng)之后定子的電壓為常量、電流可控。所以要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，就要將DFIG的控制轉(zhuǎn)化為定子的控制[6]。在分析變流器時(shí)，需引入等效結(jié)構(gòu)，則DFIG定子的磁鏈?zhǔn)噶颗c電壓矢量相位差為90°，可得定子瞬時(shí)功率為：

(1)

式中：L′為電感;PS為瞬時(shí)有功功率；QS為瞬時(shí)無功功率。

DFIG并網(wǎng)過程中，當(dāng)定子的電流可控，將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的電流，就能通過控制轉(zhuǎn)子的電流來控制DFIG輸出功率。

(2)

式中：σ為漏抗因子。

1.2 自適應(yīng)模糊PI控制

在經(jīng)典PI控制的基礎(chǔ)上，采用具有自學(xué)習(xí)、自整定能力的自適應(yīng)模糊控制，調(diào)整PI控制參數(shù)以達(dá)到最優(yōu)。模糊控制的主要任務(wù)是模糊規(guī)則的制定及變量的模糊化與清晰化。CE和CU模糊子集定義[7]為[NB,NM,NS,O,PS,PM,PB]。模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

在Matlab中進(jìn)行自適應(yīng)PI算法編譯，采用Mamdani方法，將誤差E論域設(shè)為[-6,6]，類型設(shè)定為高斯型。在模糊控制系統(tǒng)中，由模糊推理得到的控制變量模糊子集，并不能夠直接作用于被控對(duì)象，而是需要將模糊量轉(zhuǎn)變?yōu)榫_量，即對(duì)模糊量進(jìn)行清晰化。在進(jìn)行清晰化時(shí)，采用能夠得到線性推理結(jié)果的方法，其公式為：

(3)

(4)

式中:C′為推理結(jié)論。

重心公式為：

(5)

1.3 Smith預(yù)估模型

由于模糊PI控制本身的特性，對(duì)系統(tǒng)滯后性的控制效果不強(qiáng)。通過引入Smith預(yù)估模型，解決系統(tǒng)的純滯后問題。Smith預(yù)估控制基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Smith預(yù)估控制基本結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，原模型在沒有引入Smith模型的條件下，其閉環(huán)函數(shù)為：

(6)

式中：Gc(s)為控制器傳遞函數(shù)；Gp(s)為被控對(duì)象傳遞函數(shù)。此時(shí)，模型方程含e-τs項(xiàng)，會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性[8]。

在引入Smith模型后，如果模型滿足條件：

Gp(s)e-τs+Gτ(s)=Gp(s)

(7)

則可以完全彌補(bǔ)模型的滯后，其傳遞函數(shù)為：

(8)

將模型外接于PI控制器，使其僅針對(duì)系統(tǒng)滯后問題[9]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

未采用模糊PI中微分單元，是為了在沒有引入Smith模型的情況下，僅進(jìn)行模糊PI控制，使系統(tǒng)能夠快速地進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。

2 模型仿真

在PSCAD軟件中，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型的搭建,在Matlab中進(jìn)行模糊控制算法編譯，最后通過PSCAD軟件中的Fortran文件DSDYN進(jìn)行兩個(gè)軟件間的數(shù)據(jù)交換。DFIG由風(fēng)況模型提供機(jī)械能和發(fā)電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。機(jī)側(cè)變流器控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁，通過調(diào)用Matlab中的自適應(yīng)模糊控制算法，使發(fā)電機(jī)在風(fēng)速波動(dòng)的情況下能穩(wěn)定運(yùn)行，為電網(wǎng)供電。

在不考慮風(fēng)向前提下，建立風(fēng)速函數(shù)。設(shè)初始風(fēng)的速度為7 m/s，在第5 s、第10 s時(shí)，風(fēng)速發(fā)生持續(xù)1 s的劇烈波動(dòng)。系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)仿真結(jié)果示意圖

由圖3(a)可知，DFIG穩(wěn)定運(yùn)行，并且在第5 s、第10 s風(fēng)速發(fā)生持續(xù)1 s劇烈波動(dòng)的情況下，其電壓在短時(shí)間內(nèi)能重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表明了控制策略的可靠性，滿足了系統(tǒng)穩(wěn)定性要求。圖3(d)中，DFIG電磁曲

線值為負(fù)，表示此時(shí)DFIG正在發(fā)電；且轉(zhuǎn)矩除了在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)和風(fēng)速劇烈波動(dòng)的情況下，會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)[10]，其余時(shí)刻都在穩(wěn)定范圍內(nèi)。從圖3(e)可以看出，頻率波動(dòng)的范圍較小，能符合電能的頻率要求并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

綜上所述，引入Smith預(yù)估模型自適應(yīng)模糊PI策略，能夠達(dá)到控制變流器的目的，使風(fēng)電系統(tǒng)具有良好穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)，滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求。

3 結(jié)束語

在風(fēng)速波動(dòng)情況下，研究了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器的控制方法，設(shè)計(jì)了一種引入Smith預(yù)估模型自適應(yīng)模糊PI控制器，提高了系統(tǒng)魯棒性。在該控制策略下，變流器能使DFIG穩(wěn)定運(yùn)行，使其輸出的電能滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電并網(wǎng)。

[1] 李輝,葉仁杰,高強(qiáng),等.傳動(dòng)鏈模型參數(shù)對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)性能影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,14(3):24-30.

[2] 魏磊,張琳,姜寧,等.包含風(fēng)電的電力系統(tǒng)調(diào)峰能力計(jì)算方法探討[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(8):59-63.

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[6] 白廷玉,李和明.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組里側(cè)變頻器控制策略的研究[C]//中國(guó)高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)第二十三屆學(xué)術(shù)年會(huì),2007.

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Research on the Control Strategy of Wind Turbine Converter under Influence of Wind Speed

LI Jie,LIU Yan

(College of Information Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China)

Wind power is one of the high efficient and clean renewable energy resources，and it is the large-scale exploitation and utilization at present.The research on wind power generation technology is much to be concerned,while the topic of research on control of plulse width modulation(PWM) converter has become one of the important directions in wind power field. To improve the influence of variation of wind speed on doubly-fed induction generator (DFIG),the direct power control method of wind turbine converter is studied and improved,and an adaptive fuzzy PI control strategy based on Smith prediction model is proposed.Based on the classical PI control strategy,the adaptive fuzzy PI control with self-learning and self-tuning functions is adopted.The Smith prediction model is introduced,and the PSCAD software is used to simulate and optimize the control method of the converter and to solve the dead time problem of system,to improve the stability of system.The results show that the proposed scheme can make the doubly fed induction generator run stably,and improve the robustness of the system under wind speed fluctuation.In addition,the output power can meet the quality requirements of the grid,to achieve wind power to be grid connected.The adaptive fuzzy PI control strategy based on the Smith prediction model features good feasibility and superiority.

New energy; Wind power generation; Generator; Smith predictive model; Fuzzy adaptive; PI control

商洛市科技廳基金資助項(xiàng)目(SK2014-01-01)

李潔(1965—)，男，碩士,副教授,主要從事電力系統(tǒng)與新能源方向的研究。E-mail:18804729995@163.com。

TH-3;TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704022

修改稿收到日期：2016-04-13