雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲控制策略仿真

劉忠好，劉忠仁，曾 旭

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司水電分公司，湖南 長沙410004）

1 引言

我國的風(fēng)能資源十分豐富，因此大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)對解決我國能源緊缺和保護(hù)生態(tài)環(huán)境意義重大。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)，雙饋異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器構(gòu)成，具有較低的電流畸變率，系統(tǒng)功率因數(shù)可調(diào)，能運(yùn)行于次同步狀態(tài)和超同步狀態(tài)[1-2]。隨著風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)可以起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔肹3-4]，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

目前眾多文獻(xiàn)研究了雙饋風(fēng)電機(jī)最大風(fēng)能追蹤的控制策略，都基于風(fēng)速測量基礎(chǔ)之上[5]。但實(shí)際上，要想在風(fēng)到達(dá)槳葉之前就準(zhǔn)確地測出風(fēng)速是十分困難的。為了實(shí)現(xiàn)直接速度控制策略，文中提出了運(yùn)用轉(zhuǎn)矩觀測器來預(yù)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的控制技術(shù)，解決了對風(fēng)速的測量問題。并通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了該控制方法的正確性和可行性。

2 風(fēng)能捕獲原理

風(fēng)機(jī)捕獲功率為：

ρ：空氣密度 kg/m3；

R：葉輪半徑m；

Vwind：風(fēng)速 m/s；

CP：風(fēng)能利用系數(shù)，為葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)。

在低于額定風(fēng)速時(shí)，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速使λ維持在最優(yōu)λopt，從而獲得相應(yīng)風(fēng)速下最大風(fēng)能，此時(shí)槳距角β一般保持在0°；在高于額定風(fēng)速時(shí)，控制槳距角β，使捕獲的最大風(fēng)能保持恒定。

3 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

3.1 雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型

定子側(cè)采用發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動(dòng)機(jī)慣例，則電壓方程和磁鏈方程在d-q軸坐標(biāo)系下為：

3.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制原理

這一側(cè)的控制采用定子磁鏈定向。令ψsd=ψs，有ψsq=0；Usd=0；Usq=Us。定子側(cè)發(fā)出的有功功率，無功功率分別為：

從而通過控制轉(zhuǎn)子電流實(shí)現(xiàn)了定子側(cè)有功無功的解耦。

為實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤，定子側(cè)輸出有功由轉(zhuǎn)子最優(yōu)轉(zhuǎn)速來確定，從而的值可由圖1得到：

圖1 轉(zhuǎn)子電流q軸分量給定

而的值由圖2可得：

圖2 轉(zhuǎn)子電流d軸分量給定

由電壓方程和磁鏈方程得到：

控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電壓信號的d、q軸分量

可由圖3、圖4得到：

圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制電壓q軸分量給定

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制電壓d軸分量給定

整個(gè)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制框圖如圖5。

圖5 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制框圖

3.3 網(wǎng)側(cè)變頻器控制原理

這一側(cè)的控制采用網(wǎng)側(cè)電壓定向。令Ugd=Ug，則Ugq=0。網(wǎng)側(cè)變流器主要實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定并對網(wǎng)側(cè)輸出的無功功率進(jìn)行控制。從而的值可由圖6得到：

圖6 網(wǎng)側(cè)電流d軸分量給定

令的值等于0，使網(wǎng)側(cè)與電網(wǎng)間不存在無功交換。

將PWM變流器在三相靜止對稱坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到和電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系中，有：

可以寫成：

其中Lf，Rf是網(wǎng)側(cè)變流器與定子間接口阻抗的等值電感和等值電阻。令：

控制網(wǎng)側(cè)變流器的電壓信號的d、q軸分量可由圖7、圖8得到：

圖7 網(wǎng)側(cè)變流器控制電壓d軸分量給定

圖8 網(wǎng)側(cè)變流器控制電壓q軸分量給定

整個(gè)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制框圖如圖9。

圖9 網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖

4 最大風(fēng)能追蹤

在額定風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是通過對轉(zhuǎn)速的控制來追蹤最佳Cp曲線以獲得最大能量。通常對轉(zhuǎn)速的控制是通過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制來實(shí)現(xiàn)。

在這種直接速度控制方案下，可以通過測量風(fēng)速Vwind，從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率特性得到λopt，從而推算出發(fā)電機(jī)所需的最佳速度。最佳轉(zhuǎn)速可根據(jù)下式確定：

式中：Tm是驅(qū)動(dòng)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Kopt是具有最佳Cp值的比例系數(shù)

由式（1）可以得到Kopt的表達(dá)式為：

式中：Cpmax是最佳Cp值，λopt是對應(yīng)于Cpmax的最佳葉尖速比，H是齒輪箱變速比。

5 仿真分析

仿真電機(jī)采用6極繞線式異步電機(jī)，額定功率7.5 kW，額定頻率50 Hz，額定電壓220 V，同步轉(zhuǎn)速104.7 rad/s。

當(dāng)初始風(fēng)速為6 m/s時(shí)，由式（18），理論上對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)式（1），對應(yīng)最大風(fēng)力機(jī)輸出功率理論值為1 272 W。

前1.5 s，由仿真波形圖10可以看出，雙饋電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在80.2 rad/s附近，工作在亞同步速狀態(tài)。由仿真波形圖11可以看出，定子側(cè)輸出到電網(wǎng)功率為1 585 W，由圖12可以看出，轉(zhuǎn)子側(cè)從電網(wǎng)饋入功率460 W，故電機(jī)凈輸出功率為1 125 W，加上定轉(zhuǎn)子銅耗，基本與風(fēng)力機(jī)輸出功率理論值吻合。

1.5 s之后，風(fēng)速上升到 9 m/s，由式（18），理論上對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)式（1），對應(yīng)最大風(fēng)力機(jī)輸出功率理論值為4 294 W。

由仿真波形圖10可以看出，1.5 s后雙饋電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在120.3 rad/s附近，工作在超同步速狀態(tài)。從仿真波形圖11可以看出，定子側(cè)輸出到電網(wǎng)功率為3 530 W，轉(zhuǎn)子側(cè)向電網(wǎng)饋入功率450 W，故電機(jī)凈輸出功率3 980 W，加上定轉(zhuǎn)子銅耗，基本與風(fēng)力機(jī)輸出功率理論值吻合。

圖10 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化圖

圖11 定子側(cè)有功功率輸出

圖12 轉(zhuǎn)子側(cè)有功功率輸出

圖13 電磁轉(zhuǎn)矩變化圖

當(dāng)轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的增大而升高時(shí)，定轉(zhuǎn)子a相電流的變化情況如圖14所示，定子a相電流頻率不變而幅值增大。轉(zhuǎn)子a相電流的變化情況如圖15所示，轉(zhuǎn)子a相電流幅值增大而頻率減小。

圖14 定子a相電流變化圖

圖15 轉(zhuǎn)子a相電流變化圖

6 結(jié)論

定子側(cè)采用發(fā)電機(jī)慣例，為正表示輸出功率到電網(wǎng)，為負(fù)表示從電網(wǎng)饋入功率；轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動(dòng)機(jī)慣例，為正表示從電網(wǎng)饋入功率，為負(fù)表示輸出功率到電網(wǎng)。通過次同步速與超同步速兩種情況下的仿真分析，證明了所提控制策略的可行性，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能捕獲的曲線追蹤。