雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)*

鄭恩讓?zhuān)?高 飛

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710021)

0 引言

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是目前風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型。它主要是通過(guò)雙向變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁控制，通常的控制策略是將雙向變換器分為網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，并對(duì)這兩側(cè)變換器分別進(jìn)行控制，兩者之間采用大容量電解電容來(lái)進(jìn)行解耦。通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器調(diào)節(jié)饋入轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流，既可穩(wěn)定定子輸出的電壓和頻率，還可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。電網(wǎng)側(cè)變換器從電網(wǎng)上獲得電能變流后以直流形式供給轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁變換器，從而能給轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，達(dá)到穩(wěn)定功率輸出的目的。但是當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或有外部擾動(dòng)時(shí)，都會(huì)使系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)偏移，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。因此，提出了一種基于免疫單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法的勵(lì)磁控制策略，在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或有外部擾動(dòng)時(shí)，可以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

1 變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)的控制原理

如圖1所示，雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)、變速箱、雙饋發(fā)電機(jī)、變換器及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。雙饋發(fā)電機(jī)的定子繞組與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組由轉(zhuǎn)子側(cè)變換器供給勵(lì)磁，本文中采用交-直-交變換器供電。雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可隨風(fēng)速的變化在一定范圍內(nèi)作適當(dāng)調(diào)整，從而使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行始終處于最佳狀態(tài)，以提高風(fēng)能的利用率。圖1中轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和電網(wǎng)側(cè)變換器均為雙向變換器，通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器調(diào)節(jié)饋入轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流，一方面可穩(wěn)定定子輸出的電壓和頻率，另一方面還可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。電網(wǎng)側(cè)變換器從電網(wǎng)上獲得電能變流后以直流形式供給轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁變換器，從而能給轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，從而達(dá)到穩(wěn)定功率輸出的目的。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由于雙饋發(fā)電機(jī)是三相繞線式異步發(fā)電機(jī)，可知雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子繞組電流頻率之間的關(guān)系為

式中:fs，fr——定、轉(zhuǎn)子電流頻率;

p、n——發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速。

當(dāng)發(fā)電機(jī)處于亞同步速運(yùn)行時(shí)，式(1)取正號(hào);發(fā)電機(jī)超同步速運(yùn)行時(shí)，式(1)取負(fù)號(hào)。同步速運(yùn)行時(shí)，fr=0，此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組從轉(zhuǎn)子側(cè)變換器獲得直流勵(lì)磁。

由式(1)可得，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率fr使得定子電流頻率fs保持與電網(wǎng)頻率同步，從而達(dá)到發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制。

2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)

2.1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的功能

勵(lì)磁控制系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的重要組成部分，它對(duì)電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)本身的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很大影響。優(yōu)良的勵(lì)磁控制系統(tǒng)應(yīng)能夠保證發(fā)電機(jī)的可靠運(yùn)行，而且還可以有效提高發(fā)電機(jī)的發(fā)電質(zhì)量，保持電網(wǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定;同時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置還能有效提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的功率極限。

由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)本身是時(shí)滯系統(tǒng)，來(lái)自系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)也較多，因此勵(lì)磁控制系統(tǒng)除了要完成其基本功能外，還要與風(fēng)電系統(tǒng)其他部分配合，對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、有功功率、無(wú)功功率，以及轉(zhuǎn)子繞組的電壓、電流、相位、幅值、頻率等進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足雙饋發(fā)電機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)的要求。

2.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁控制系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖2所示，搭建雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，由15 kW交流異步電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，利用變頻器可對(duì)其進(jìn)行調(diào)速模擬風(fēng)力機(jī)，7.5 kW繞線式異步發(fā)電機(jī)模擬雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)發(fā)電，其定子繞組接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組接轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和電網(wǎng)側(cè)變換器均為雙向變換器。當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)低于同步速運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)側(cè)變換器從電網(wǎng)獲取電能變換成直流，經(jīng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器供給轉(zhuǎn)子繞組交流勵(lì)磁，當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)超同步速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組向外供電，經(jīng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和電網(wǎng)側(cè)變換器向電網(wǎng)輸送電能，從而保證發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定。

圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

勵(lì)磁控制器根據(jù)獲得的發(fā)電機(jī)參數(shù)，包括轉(zhuǎn)速、定子電壓電流、轉(zhuǎn)子電壓電流等，可對(duì)變換器輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，供給發(fā)電機(jī)合適的勵(lì)磁，保持發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定并使其發(fā)出的電能達(dá)到并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 控制方法及其實(shí)現(xiàn)

勵(lì)磁控制器的主要功能是可以根據(jù)風(fēng)速的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，使發(fā)電機(jī)端電壓達(dá)到規(guī)定值，同時(shí)在發(fā)生過(guò)電壓、過(guò)電流、超載等故障時(shí)，勵(lì)磁控制器可與上位機(jī)進(jìn)行通信，及時(shí)采取措施對(duì)機(jī)組進(jìn)行保護(hù)。

由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，因此應(yīng)用傳統(tǒng)的PID控制算法很難獲得滿意的效果。為此，可采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣可使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，保證發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和頻率等參數(shù)始終保持并網(wǎng)規(guī)定值，并可以排除一些外部擾動(dòng);當(dāng)處于暫態(tài)過(guò)程時(shí)，可以避免系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)和振蕩。

2.4 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID結(jié)合了神經(jīng)元控制與傳統(tǒng)PID控制的優(yōu)點(diǎn)，它具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，具有較強(qiáng)的魯棒性，不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還解決了傳統(tǒng)PID不易進(jìn)行在線實(shí)時(shí)整定參數(shù)、難于對(duì)一些復(fù)雜過(guò)程和參數(shù)慢時(shí)變系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的不足。

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制結(jié)構(gòu)

圖3中x1(k)為系統(tǒng)誤差，x2(k)為一階差分，x3(k)為誤差累計(jì)，即:

神經(jīng)元特性設(shè)為

目標(biāo)函數(shù)為

與常規(guī)PID算法相比較，單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法可以較大地改變典型非線性時(shí)變對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，可以適應(yīng)過(guò)程時(shí)變特性，保證控制系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

本文采用Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則，學(xué)習(xí)算法為

式中:ηI、ηP、ηD——積分、比例、微分的學(xué)習(xí)速率;

K——神經(jīng)元的比例系數(shù)，K＞0。

對(duì)積分、比例、微分分別采用不同的學(xué)習(xí)速率ηI、ηP、ηD，可以對(duì)不同的權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。這樣使得單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制比傳統(tǒng)的PID控制有更好的抗干擾能力，使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性。

3 仿真試驗(yàn)

根據(jù)單神經(jīng)元PID自適應(yīng)算法，在仿真軟件中搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，雙饋發(fā)電機(jī)為2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)定子繞組直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組接轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，經(jīng)直流回路到達(dá)電網(wǎng)側(cè)變流器，從而構(gòu)成雙向變流器，轉(zhuǎn)子繞組既可通過(guò)雙向變流器向電網(wǎng)輸送電能，也可通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器吸收電網(wǎng)電能。

雙向變流器的調(diào)節(jié)主要通過(guò)根據(jù)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法所設(shè)計(jì)出的調(diào)節(jié)器進(jìn)行。主要對(duì)風(fēng)速與功率的關(guān)系、風(fēng)能利用率以及額定功率以上的系統(tǒng)輸出進(jìn)行了仿真。系統(tǒng)仿真試驗(yàn)波形如圖4～6所示。

圖4 風(fēng)速與功率曲線

圖5 風(fēng)力機(jī)Cp-λ曲線

圖6 額定風(fēng)速以上輸出功率動(dòng)態(tài)曲線

從圖中可以看出，采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法對(duì)系統(tǒng)勵(lì)磁進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以很好地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時(shí)也可以使雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠很好地追蹤最大風(fēng)能利用率，保證系統(tǒng)的輸出能與并網(wǎng)規(guī)定值始終保持一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)是基于電力電子和微機(jī)控制的交流勵(lì)磁控制技術(shù)。無(wú)論是在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行還是在暫態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)都在很大程度上與勵(lì)磁有關(guān)，勵(lì)磁系統(tǒng)性能的好壞直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。在該勵(lì)磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制方法，獲得了滿意的控制效果。

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