半直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)最大功率跟蹤和變槳距集成控制

劉廣忱，王生鐵，張 鴻，田桂珍

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010080)

0 引 言

并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電是近十年來國(guó)際上發(fā)展速度最快的可再生能源技術(shù)之一，年均增長(zhǎng)率超過25%，2010年底總裝機(jī)容量達(dá)到 194.4 GW［1］。目前，主流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(WPGS)可分為基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)的齒輪驅(qū)動(dòng)型WPGS和基于永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)的直接驅(qū)動(dòng)型WPGS兩類。前者由于仍然有滑環(huán)和電刷，必須定期檢修，后期維護(hù)工作量大，且不大適合在比較惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性;而后者雖然減少了齒輪箱故障，降低了維護(hù)費(fèi)用，但由于直接耦合，PMSG的轉(zhuǎn)速很低，導(dǎo)致PMSG體積龐大，且造價(jià)較高。為了克服上述兩種WPGS的缺點(diǎn)，芬蘭的WinWinD公司提出了一種采用一級(jí)齒輪增速和多極中速PMSG的新型WPGS，即所謂的半直驅(qū)型WPGS(MWPGS)。該WPGS兼具直驅(qū)型WPGS的可靠性及傳統(tǒng)多級(jí)高速齒輪增速系統(tǒng)的緊湊性，并可顯著降低發(fā)電機(jī)成本、提高發(fā)電機(jī)效率［2－4］。

MWPGS的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括兩個(gè)背靠背的全功率PWM變換器，其控制系統(tǒng)主要包括:機(jī)側(cè)變換器控制、網(wǎng)側(cè)變換器控制、變槳距控制和偏航控制。其中，機(jī)側(cè)變換器實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)側(cè)有功、無功功率的解耦控制和最大功率跟蹤控制［5－11］;網(wǎng)側(cè)變換器實(shí)現(xiàn)輸出有功、無功功率的解耦控制和實(shí)現(xiàn)低電壓穿越［12－16］;變槳距控制限制輸出功率，使機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行［17－20］;偏航控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪跟蹤風(fēng)向及自動(dòng)解纜控制。

圖1 半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文主要研究最大功率跟蹤和變槳距的集成控制策略，以期在隨機(jī)風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)工況頻繁切換條件下，實(shí)現(xiàn)半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化及可靠運(yùn)行。

1 半直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)部分?jǐn)?shù)學(xué)模型

1.1 風(fēng)力機(jī)模型

由流體力學(xué)可知，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中捕獲的功率:

Cp(λ，β)是葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)，可表示［13］:

由式(2)可得風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)特性曲線Cp(λ，β)，如圖2 所示。

圖2 風(fēng)能利用系數(shù)曲線

由于變槳系統(tǒng)可以獨(dú)立控制槳距角β，當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速而小于額定風(fēng)速時(shí)，通常控制β=0°。從圖2可以看出，此時(shí)存在且僅存在唯一葉尖速比λm對(duì)應(yīng)于風(fēng)能利用系數(shù) Cp(λ，β)的最大值 Cpmax，即最佳葉尖速比。因此，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，如果控制λ=λm，則Cp=Cpmax，即實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。由圖2中還可發(fā)現(xiàn)，Cp(λ，β)隨 β的增大而減小。因此，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速而小于切出風(fēng)速時(shí)，可以通過增大β以降低Cp(λ，β)，減少風(fēng)能捕獲，從而控制輸出功率恒定。

1.2 機(jī)械傳動(dòng)鏈模型

將增速齒輪箱和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到風(fēng)輪轉(zhuǎn)子側(cè)，并假設(shè)傳動(dòng)系統(tǒng)的阻力全部集中于風(fēng)輪主軸上，且主軸為剛性軸，則半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械傳動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)方程:

式中:Tm為折算到高速軸上的等效機(jī)械轉(zhuǎn)矩;Te為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;J為折算到高速軸上的系統(tǒng)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;F為系統(tǒng)總粘滯摩擦系數(shù)。

1.3 永磁同步發(fā)電機(jī)模型

在d－q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，將d軸定向于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向，q軸超前d軸90°，則永磁同步發(fā)電機(jī)的定子電壓方程可表示［21］:

式中:ud、uq分別為定子電壓的d軸和q軸分量;Ld、Lq分別為d軸和q軸等效電感;id、iq分別為定子電流的d軸和q軸分量;p為微分算子;Rs為每相定子繞組上的電阻;ωe為發(fā)電機(jī)的電角速度;ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈。

采用id=0的控制方式，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示:

式中:Np為永磁體極對(duì)數(shù)。

1.4 變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型

變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)和液壓兩種，目前多采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為研究方便，將模型簡(jiǎn)化為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，則變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)［22］:

式中:Tβ為變槳距機(jī)構(gòu)時(shí)間常數(shù);βref為參考槳距角。

2 最大功率跟蹤和變槳距集成控制策略

2.1 集成控制原理

風(fēng)能具有隨機(jī)性，風(fēng)力機(jī)總是處于所有可能風(fēng)速?zèng)Q定的不同工況，并進(jìn)行較為頻繁的切換。集成控制策略實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)控制和變槳距控制的集成，在可用風(fēng)速范圍內(nèi)(切入風(fēng)速＜風(fēng)速＜切出風(fēng)速)，針對(duì)風(fēng)況的不同，對(duì)半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用不同的控制策略，以最大限度地獲取風(fēng)能及保證風(fēng)電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。集成控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知，集成控制策略以轉(zhuǎn)速控制為基礎(chǔ)，以風(fēng)速滯環(huán)判斷為條件，針對(duì)不同工況，采取相應(yīng)的控制策略。當(dāng)風(fēng)速小于額定值時(shí)，切入MPPT控制。此時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)給定由最大功率控制模塊提供，同時(shí)變槳距控制將β為零;當(dāng)風(fēng)速大于額定值時(shí)，進(jìn)行變槳距控制。此時(shí)轉(zhuǎn)速環(huán)給定為恒定量;當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速附近波動(dòng)時(shí)，滯環(huán)比較器可以防止風(fēng)電機(jī)組在上述兩種工作模態(tài)之間頻繁切換。

圖3 最大功率跟蹤和變槳距集成控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 轉(zhuǎn)速控制

發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖中可知，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)和電壓前饋補(bǔ)償?shù)玫絽⒖茧妷褐噶睢Ｔ撝噶钔ㄟ^利用電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)控制變換器中各開關(guān)管的通、斷，以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的控制。

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制結(jié)構(gòu)圖

2.3 最大功率跟蹤控制

常用的MPPT方法有葉尖速比法(TSR)、功率信號(hào)反饋法(PSF)和爬山法(HCS)三種。其中，TSR需要同時(shí)檢測(cè)風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過控制使葉尖速比維持最優(yōu)值;PSF基于風(fēng)機(jī)最大功率曲線進(jìn)行控制，使得機(jī)組在不同發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下的輸出功率跟隨指令值;HCS通過不斷改變功率指令使機(jī)組輸出功率逐步逼近最優(yōu)值。由于HCS不需要了解最大功率曲線，對(duì)參數(shù)變化不敏感，也不依賴于風(fēng)速的精確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單方便，故本文采用該方法進(jìn)行最大功率跟蹤控制。

HCS又分為固定步長(zhǎng)HCS和變步長(zhǎng)HCS。前者采用固定轉(zhuǎn)速擾動(dòng)值進(jìn)行爬山搜索，不能同時(shí)兼顧系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性，而后一種方法有效地解決了這一問題。因此，系統(tǒng)采取變步長(zhǎng)HCS進(jìn)行MPPT控制。變步長(zhǎng)爬山法的最大功率跟蹤流程如圖5所示。

圖5 變步長(zhǎng)最大功率跟蹤算法流程圖

其最大功率跟蹤原理為:風(fēng)電機(jī)組在一給定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行一定時(shí)間后，給其一個(gè)轉(zhuǎn)速擾動(dòng)信號(hào)，計(jì)算當(dāng)前輸出功率P(k)，并與上一控制周期的輸出功率P(k－1)比較得到ΔP，對(duì)ΔP進(jìn)行判斷。若ΔP＞0且數(shù)值較大時(shí)，Δn則保持其符號(hào)不變并采用較大步長(zhǎng);若ΔP較小，則通過二分法將Δn減半處理，并且為保證HCS的正確性，對(duì)Δn的最小值進(jìn)行了限制。若ΔP＜0，Δn則取反，反方向進(jìn)行HCS。該方法可同時(shí)兼顧系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性，當(dāng)輸出功率在山坡位置時(shí)，增大擾動(dòng)步長(zhǎng)，使轉(zhuǎn)速迅速跟蹤最佳轉(zhuǎn)速，而當(dāng)功率接近山頂時(shí)，減小擾動(dòng)步長(zhǎng)使轉(zhuǎn)速平穩(wěn)逼近最佳值。

2.4 變槳距控制

當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，受風(fēng)電機(jī)組容量以及變換器容量的限制，系統(tǒng)將通過增大槳距角來降低Cp值，從而限制風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能，以控制輸出功率穩(wěn)定在額定值附近并控制轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。變槳距控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 變槳距控制結(jié)構(gòu)圖

由圖6可知，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，將風(fēng)機(jī)的輸出功率P作為反饋量與參考功率Pref比較得到ΔP，該值通過槳距角調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到槳距角指令，然后通過槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行槳距調(diào)節(jié)，最終使得系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定在參考功率附近。

3 系統(tǒng)建模及仿真結(jié)果

3.1 系統(tǒng)模型及參數(shù)

基于上述分析，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了如圖7所示的MWPGS機(jī)側(cè)控制仿真模型。為便于對(duì)MPPT和變槳距集成控制策略的研究，將機(jī)側(cè)變換器后的模型由帶內(nèi)阻的電壓源與額定負(fù)載并聯(lián)來等效。集成控制策略通過滯環(huán)比較器判斷風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)MPPT和變槳距控制之間的可靠切換。其中，滯環(huán)比較器的上限值為9.5 m/s，下限值為額 定風(fēng)速9 m/s。

圖7 半直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)控制仿真模型

以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為背景，半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果及分析

3.2.1 漸變風(fēng)響應(yīng)

圖8 漸變風(fēng)速時(shí)風(fēng)電機(jī)組集成控制響應(yīng)曲線

在漸變風(fēng)速條件下，半直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)集成控制響應(yīng)曲線如圖8所示。從圖中可以看出，當(dāng)初始風(fēng)速為8 m/s時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行MPPT控制，此時(shí)β=0°;7 s后，風(fēng)速開始逐漸增大，當(dāng)風(fēng)速大于9.5 m/s時(shí)，系統(tǒng)切換到變槳距控制。v=12 m/s時(shí)，β=14.7°，Cp=0.18，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在300 r/min左右，功率控制在額定值5 kW附近;當(dāng)風(fēng)速由12 m/s漸變到10 m/s時(shí)，通過槳距角調(diào)節(jié)，最終使得系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定在額定值5 kW附近，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在300 r/min左右。此時(shí)，槳距角 β =3.25°，Cp=0.33;當(dāng)風(fēng)速由10 m/s漸變到7 m/s時(shí)，經(jīng)歷了變槳距控制到MPPT控制的切換，最終，β=0°，Cp值保持在最大值0.48左右，輸出功率穩(wěn)定在2.6 kW附近。

3.2.2 隨機(jī)風(fēng)響應(yīng)

圖9 隨機(jī)風(fēng)速時(shí)風(fēng)電機(jī)組集成控制響應(yīng)曲線

在隨機(jī)風(fēng)速條件下，半直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)集成控制響應(yīng)曲線如圖9所示。從圖中可以看出，1～8 s，風(fēng)速小于9.5 m/s，系統(tǒng)進(jìn)行MPPT控制;8 s時(shí)，風(fēng)速大于9.5 m/s，系統(tǒng)切換到變槳距控制。17～18 s，風(fēng)速在9 m/s和9.5 m/s之間變化，由于滯環(huán)比較器的作用，系統(tǒng)仍進(jìn)行變槳距控制;18 s，風(fēng)速小于9 m/s，系統(tǒng)切換到 MPPT控制;18～22 s，風(fēng)速在9.5 m/s以下，系統(tǒng)仍進(jìn)行MPPT控制;22 s，風(fēng)速大于9.5 m/s，系統(tǒng)切換到變槳距控制;22～24 s，系統(tǒng)進(jìn)行變槳距控制;24～30 s，系統(tǒng)進(jìn)行MPPT控制。總之，在隨機(jī)風(fēng)速作用的30 s時(shí)間內(nèi)，集成控制策略在MPPT控制和變槳距控制之間進(jìn)行了4次切換，獲得了較為滿意的控制效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電是近十年來發(fā)展最為迅速的可再生能源發(fā)電技術(shù)。半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合了當(dāng)下兩種主流機(jī)型DFIG和PMSG的長(zhǎng)處，具有可靠性高和成本較低的優(yōu)點(diǎn)。本文首先建立了半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)部分動(dòng)態(tài)模型;其次，根據(jù)風(fēng)能隨機(jī)性及風(fēng)力機(jī)工況切換頻繁的特點(diǎn)，給出了半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤和變槳距的集成控制策略。這種控制策略以轉(zhuǎn)速控制為基礎(chǔ)，以風(fēng)速滯環(huán)判斷為條件，實(shí)現(xiàn)不同控制模式之間的可靠切換，能夠?qū)崿F(xiàn)半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠運(yùn)行;最后，在MATLAB/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，在漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)的作用下，集成控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤控制和變槳距控制的可靠切換，獲得了較為滿意的控制效果，驗(yàn)證了本文所論控制策略的有效性。本文的工作將有利于半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應(yīng)用，對(duì)其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)風(fēng)電系統(tǒng)的控制也有參考價(jià)值。

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