雙饋型風力發(fā)電機最大風能追蹤控制研究

滕志飛 張永剛 朱樂

摘要：風力發(fā)電是利用風能的一種有效手段，提高風能利用率成為風力發(fā)電研究中的重要內(nèi)容。提出一種風力發(fā)電最大風能追蹤控制技術(shù)，通過控制雙饋型風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速最優(yōu)曲線，實現(xiàn)不同風速下的最大風能追蹤，用以提高風力發(fā)電效率和降低發(fā)電成本。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；最大風能追蹤；雙饋電機；仿真

中圖分類號：TM311 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2018）02-0024-03

近年來，隨著世界各國對新能源發(fā)電的不斷關(guān)注和技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源發(fā)電系統(tǒng)的裝機量不斷加大，而其中風力發(fā)電是新能源發(fā)電的主要手段，風力發(fā)電的總裝機量和單機容量都在逐年加大。大力發(fā)展風力發(fā)電系統(tǒng)是我國電力可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然趨勢，同時我國地域遼闊，風能儲量大，很適合風力發(fā)電發(fā)展。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)相對于恒速恒頻系統(tǒng)具有更高的運行效率，因此越來越受到重視。本課題重點研究雙饋型變速恒頻風力發(fā)電的最大風能跟蹤技術(shù)。

1 雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電機主要由風力機和發(fā)電機兩部分組成。風力機利用空氣流動的動能推動風輪旋轉(zhuǎn)并將其轉(zhuǎn)換為機械能，發(fā)電機將風力機傳送來的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌斔徒o負載。目前使用的風力發(fā)電機主要有兩種：鼠籠式異步發(fā)電機和繞線式異步發(fā)電機。前者轉(zhuǎn)速受電網(wǎng)頻率的約束基本保持不變，而風力機是隨轉(zhuǎn)速變化的，因此很難達到最高的風能轉(zhuǎn)換效率；后者可與轉(zhuǎn)子輸入相位、幅值和頻率可調(diào)的三相交流電進行交流勵磁發(fā)電，成為雙饋發(fā)電機。通過調(diào)節(jié)勵磁電流，發(fā)電機可在風力機保持最佳葉尖速比的情況下恒頻輸出，這樣便于并網(wǎng)運行，且風能利用率接近最大值，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。雙饋型風力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 最大風能追蹤

隨著風力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)因在最大風能追蹤上具有在一定范圍內(nèi)變速運行的特點，其優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)出來。雙饋型風力發(fā)電機的最大風能追蹤是指系統(tǒng)工作在啟動風速和額定風速之間時，風力發(fā)電機在運行時的CP（功率系數(shù)）值保持最大。最大風能追蹤的整體控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中風力機與風力發(fā)電機同軸相連。

2.1 最大風能追蹤控制策略

對風力發(fā)電機進行研究可知，在風速一定時，風力機的輸出功率取決于風力機的功率系數(shù)CP。風力機工作在不同風速時的轉(zhuǎn)速與輸出功率的關(guān)系曲線如圖3所示。

為了使風力發(fā)電機在運行時最大程度地吸收風能而實現(xiàn)最大功率跟蹤，應使風力機穩(wěn)定在最大功率輸出點上。而通過對該曲線進行分析可知，對雙饋型風力發(fā)電機進行有功和無功功率解耦，從而控制發(fā)電機的有功功率實現(xiàn)最大風能追蹤的控制策略是可行的。

2.2 最大風能追蹤控制算法

對雙饋型風力發(fā)電機的定子電壓或定子磁鏈進行定向的矢量控制，是P-Q解耦控制的本質(zhì)。由于定子磁鏈的計算與發(fā)電機的參數(shù)有很大關(guān)系，如參數(shù)不正確、溫度改變等因素會造成定向錯誤、降低矢量控制的性能，因此選擇電壓定向控制的方法。

雙饋型風力發(fā)電機的電壓定向矢量控制解耦算法如下：

1） 在系統(tǒng)中讀入發(fā)電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并通過下式計算出有功功率參考，無功功率參考為0。

2） 在系統(tǒng)中讀入電壓、發(fā)電機定子電流等數(shù)值，經(jīng)過a-b-c到d-q坐標變換后經(jīng)下式進行計算，得出功率反饋值，并與參考值進行比較，輸出定子電流參考。

3） 由磁鏈觀測器和定子電流參考值輸出定子磁鏈幅值，并由下式計算出轉(zhuǎn)子電流參考值。

4） 在系統(tǒng)中讀入轉(zhuǎn)子電流值，經(jīng)過a-b-c到d-q坐標變換后與參考值比較，并由電流調(diào)節(jié)器輸出電壓解耦分量，電壓解耦分量加上電壓補償分量得出轉(zhuǎn)子電壓參考值，最后得到轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的驅(qū)動信號，來完成電壓定向適量的解耦控制。

3 最大風能追蹤仿真分析

利用SIMULINK計算機仿真軟件為雙饋型風力發(fā)電機的大型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)建立動態(tài)數(shù)學模型，包括風力機、傳動機構(gòu)、發(fā)電機和控制器4個部分。將上述4個部分進行封裝，再加上電網(wǎng)模型，即構(gòu)成變速恒頻風電系統(tǒng)仿真模型（如圖4所示）。

發(fā)電機轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。發(fā)電機的同步轉(zhuǎn)速點對應為換向點，可以看出，當雙饋型發(fā)電機的轉(zhuǎn)速由大于同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮谕睫D(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子側(cè)電流進行了換向。仿真結(jié)果與理論分析完全一致。

4 結(jié)語

對雙饋型變速恒頻風力發(fā)電的最大風能跟蹤技術(shù)進行研究。介紹雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的整體構(gòu)成，闡述基于雙饋型變速恒頻風力發(fā)電的最大風能追蹤控制策略及算法，并通過Simulink仿真進行驗證。結(jié)果表明，仿真結(jié)果與理論分析一致，具有可行性。

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