鼠籠式感應風力發電系統的優化控制

王 武

(許昌學院 電氣信息工程學院，河南 許昌461000)

0 引 言

隨著世界經濟的不斷發展和國際工業化進程的逐步加快，全世界能源需求持續增加。為了緩解能源危機，保護自然環境，可再生能源的開發利用逐漸提上人類可持續發展的日程。風力發電清潔無污染，施工周期短，投資靈活，占地少，具有較好的經濟效益和社會效益，風力發電技術已成為全世界競相開發的重要新能源技術［1］。風力發電技術是涉及空氣動力學、自動控制、機械傳動、電機學等多學科的綜合性高技術系統工程。國內對風電機組系統設計技術的研究起步不久，風電機組的大型化、變槳距控制、變速恒頻等先進風電技術還遠未解決，致使我國大型風力機幾乎全部為進口產品。因此，深入研究風力發電機組系統設計技術對于開發風能和實現風電機組國產化具有重要理論意義和工程應用價值。目前，風力發電機組的研究難點是風電機組大功率、高可靠性、高效率、低成本。為攻克這些難點，國內外的研究熱點是系統優化設計和先進控制策略［2］。由于所受工況瞬態多變且工作環境惡劣，空氣動力學的不確定性和電力電子功率變換裝置模型的復雜性，系統模型不易確定，風力發電機組是一個復雜、多變量、非線性的不確定系統，因此，系統建模分析是風力發電機系統設計的關鍵［3］。文獻［4］建立了風能轉換系統的機理模型，并得到線性參數變化系統模型，設計了基于LPV 模型的增益調度控制器，實現了節距角和電磁轉矩的動態補償。文獻［5］提出變槳距風電系統功率控制的逆系統魯棒方法，可以在風速任意波動條件下有效地控制風電系統的輸出功率，并且對系統參數的大范圍擾動具有較強的魯棒性。文獻［6］開發了基于無源性的雙饋風力發電機控制系統，能夠高速、有效實現最大風能捕獲，同時對電機參數攝動及負載轉矩變化具有很強的魯棒性。文獻［7］為了實現額定風速以下風能轉換系統風能捕獲率的最大化，根據風速的多時間尺度特性，基于頻率分離原理建立了風能轉換系統的雙頻環模型。并針對低頻環和高頻環分設優化控制器，實現了風能轉換系統雙頻環滑模控制，實現了風能捕獲率最大化。

鼠籠式異步電機風力發電系統包括恒速運行的失速型風力發電系統以及由鼠籠異步電機和背靠背的四象限變流器組成的變速恒頻風力發電系統，該系統存在齒輪箱、傳動軸這一脆弱環節，在頻繁的轉矩沖擊和大幅度波動下容易損壞。國內、外雖然大量開發直驅式風力發電系統以提高效率和可靠性，但已裝機的感應風力發電系統還未退出歷史舞臺，研究以鼠籠式異步電機作為發電機的風力發電系統中傳動鏈的受沖擊情況以及以減少轉矩沖擊、提高風能利用率的控制方法，可以改善其控制品質，同時對其他風電系統控制具有一定的借鑒和指導意義。本文以鼠籠式感應發電機為對象構建大功率變速定槳距風能轉換電磁子系統，結合風力機空氣動力學模型的分析和建模，給出了傳動裝置模型和鼠籠式感應電機模型，并結合MATLAB/Simulink 軟件實現了系統的控制策略，通 過系統仿真說明風力發電系統的最優控制特性跟蹤。

1 基于籠型感應電機風力發電系統數學模型

基于籠型感應電機的風力發電系統可以將捕獲的氣流能量轉換成電能的裝置，包含四個子系統構成，空氣動力子系統(AS)、機械傳動鏈子系統(DT)、電磁子系統(EMS)和電網界面，典型的定速變槳距風能轉換系統框圖如圖1 所示［8］。

1.1 空氣動力子系統建模

風力機的葉尖速度比表示葉片速度與風速之比:

式中:R 是葉片長度;Ω1是風輪角速度;υ 是風速。

功率系數Cp表示風力機的風能利用效率，風力機的捕獲功率可表示為:

式中，ρ 為空氣密度。

轉矩系數CΓ，可表示為:

圖1 定速變槳距風能轉換系統框圖

1.2 機械傳動鏈子系統模型

風力發電系統的剛性傳動系統連接風輪和發電機，負責機械能的傳遞，其主要機械部件為增速齒輪［9］。對于剛性傳動鏈，忽略黏性摩擦，其模型包含一個高速軸或低速軸提供的一階運動方程，表示為:

式中:i 為傳動比;η 為效率;Γwt(Ω1，υ)是空氣動力轉矩，以風速υ 作為參數;ΓG(Ωh，c)是電磁轉矩，以表示的負荷變量作為參數;Jh、Jl分別是高速軸和低速軸的慣量，其計算表達式為:J1、J2是增速齒輪的慣量，Jwt是風輪的慣量，Jg是發電機的慣量。

在柔性傳動鏈系統中，高速軸兩部分以不同旋轉速度旋轉，其模型可描述為:

1.3 鼠籠式感應電機模型

設狀態向量和輸入向量為［10］:

則鼠籠式感應電機的數學模型可描述為:

令:σ=1－L2m/LSLR，則矩陣A(Ωh)為:

式中:p 是電機的極對數;Lm是定、轉子互感;iSd、iSq、iRd、iRq分別是定、轉子在d-q 軸坐標下的電流分量;VSd、VSq分別是定子在d-q 軸坐標下電壓分量，Ωh為發電機的旋轉角速度;ωS是定子的場頻，RS、RR分別是定子電阻和轉子電阻;LS、LR分別是定子電感和轉子電感。忽略靜態和粘性摩擦，發電機高速運動軸的方程可描述為:

式中:J 是高速軸的轉動慣量;Ωh是高速軸的旋轉角速度;Γmec是機械轉矩;ΓG是電磁轉矩。

2 鼠籠式感應電機風力發電優化跟蹤控制器設計

2.1 鼠籠式感應電機優化控制結構

經典PI 控制器的比例系數和積分系數易于設計，控制器設計方便，所取的反饋信息量少，在籠型感應發電機控制中廣泛使用［11］。鼠籠式感應電機矢量控制結構由兩個解耦環組成，一個是保證感應電機磁場導向的轉子磁通環，用以控制轉子磁通，另一個是轉矩控制環用以控制定子電流。通過對風速、轉速測量，可以建立葉尖速度比控制環，對轉矩變化的反應較靈敏，通過對電流的控制實現轉矩控制環，有助于增加系統的機械靈活性，通過建立功率控制環，使系統運行于最大功率點。

2.2 系統控制環設計

轉矩環基于鼠籠式感應電機矢量控制結構直接得出，目標參考轉矩可設為［12-14］:

式中:λopt為葉尖速比最優值;η 表示功率傳動的總機械效率。

速度環PI 控制器設計為:

控制器參數為:

式中:ωn、ξ 為二階系統的自然頻率和阻尼系數;Tpt、Kpt為功率傳動模型的時間常數和增益。

功率環也采用PI 控制器設計，實現對有功功率的跟蹤控制，保證系統運行到功率最大點［15］。

3 風力發電系統優化跟蹤控制仿真

根據系統所構建的鼠籠式感應電機風能轉換系統，以2 MW 大功率變速定槳距系統為研究對象，具體參數選取如表1 所示。

表1 系統仿真中用到的參數

在Matlab 環境下進行系統仿真，轉速優化跟蹤曲線如圖2 所示，可見系統能有效實現對參考輸入速度的跟蹤，圖3 給出了轉速跟蹤的誤差曲線，可見系統經過約50 s 左右，便可有效實現轉速跟蹤，控制器反應迅速，系統響應靈敏，穩態誤差小。圖4 給出了功率系數和葉尖速比變化曲線，仿真中同時給出了圖5、圖6所示的輸出轉矩變化曲線和電磁轉矩變化曲線。

圖2 轉速優化跟蹤曲線

圖3 轉速跟蹤誤差曲線

圖4 電磁轉矩曲線

4 結 語

論文構建了以鼠籠式感應電機為發電系統的大功率定速變槳距風力發電系統，對系統中的空氣動力學子系統、機械傳動鏈子系統、電磁子系統進行了詳細分析，并給出了對應的數學模型;在Matlab/Simulink 環境下進行了系統仿真，采用模塊化設計思想構建了各個子系統，并完成了子系統集成，實現了大功率風能轉換系統的建模和鼠籠式感應發電機的矢量控制。詳細設計了轉矩控制環、速度控制環和功率控制環，通過仿真表明，該系統能實現大功率風能轉換系統的最優控制特性跟蹤，該系統可以為解決已裝機籠型風力發電系統的優化控制提供理論基礎，以期通過自動控制技術改造傳統產業，以自動化帶動工業化，并將理論成果應用于實際風電工程建設及改造。

圖5 輸出轉矩曲線

圖6 電磁轉矩曲線

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