雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能控制策略研究

摘要：風力發(fā)電是一種新型的綠色能源，正逐漸成為世界各國爭相開發(fā)的新技術能源。近幾年來，隨著科學技術的進步，變速雙饋風力發(fā)電技術在風力發(fā)電中得到廣泛應用。該技術能夠最大限度地捕獲風能，同時還能夠實現(xiàn)發(fā)電機組與電網(wǎng)之間的柔性聯(lián)接，提高風力發(fā)電系統(tǒng)運行的動靜態(tài)穩(wěn)定性。針對雙饋風力機捕獲最大風能的工作原理進行簡單闡述，重點討論雙饋風力發(fā)電機組的控制策略，最后通過系統(tǒng)仿真驗證雙饋發(fā)電機的運行性能。

關鍵詞：雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)；風能控制；優(yōu)化策略

作者簡介：于水（1981-），男，北京人，中國電能成套設備有限公司，工程師。（北京 100080）

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）29-0233-02

近幾年來，隨著國際工業(yè)化進程的加快，全球氣候逐漸變暖，環(huán)境污染日益嚴重，支撐工業(yè)化進程的常規(guī)能源面臨枯竭的危險。因此，利用可再生的風能進行發(fā)電能夠有效延緩煤炭以及石油、天然氣等常規(guī)能源的枯竭。

雙饋恒頻發(fā)電是20世紀末發(fā)展起來的一種新型發(fā)電模式，主要是電子技術以及矢量變換控制技術、微機信息處理技術在發(fā)電技術中的綜合應用。到目前為止，[1]為提高雙饋風力發(fā)電機組的工作效率，在控制方法上主要有爬山法、功率信號反饋控制以及葉尖速比等方法。然而，上述幾種方法幾乎都忽略了雙饋發(fā)電機組本身的效率。也就是說，即使風機能夠捕獲到比較大的風能，但是發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)輸出的有功功率還是會隨著電機效率的不同而出現(xiàn)差異。因此，本文在風機如何捕獲最大風能的基礎上提出了雙饋風力發(fā)電機組的風能控制策略。

一、雙饋風力機捕獲最大風能的工作原理

根據(jù)貝茨原理，[2]風力發(fā)電機的吸收機械功率和啟動轉矩為：

Pr=Cp（β，λ）ρπR2V3w

Tm=CT（β，λ）ρπR3V2W

在貝茨原理中，極限值為59.3%，其中VW為風速，R為葉輪半徑，Pr為葉輪吸收的機械功率，Tm是葉輪的啟動轉矩，Cp是風力機的功率系數(shù)，CT是啟動轉矩系數(shù)。根據(jù)上面兩個公式能夠看出，在風機的運行過程中，除葉輪本身的直徑及功率系數(shù)和啟動轉矩系數(shù)外，葉輪吸收的機械功率以及啟動轉矩受風速的影響比較大。[3]

圖1為不同風速下風機的輸出功率特殊曲線圖，其中Wm是葉輪的角速度，從圖中能夠看出，在相同風速下不同的轉速會使葉輪輸出的功率大不相同。因此，要想實現(xiàn)最大的風能追蹤，使風機運行在最佳的功率曲線上就必須在風速變化時根據(jù)實際情況調節(jié)葉輪轉速。然而，在實際風電場中測得準確風速數(shù)據(jù)有一定難度，因此必須尋找一種不依靠風速的控制方法。

二、雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的風能控制研究

實現(xiàn)雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的風能控制研究主要是從控制雙饋發(fā)電機的直接轉矩、模糊邏輯控制、勵磁控制以及自適應最優(yōu)模糊控制這四部分來實現(xiàn)的。

1.自適應最優(yōu)模糊控制

自適應最優(yōu)模糊控制主要是用于非線性以及多變量的復雜對象，同時收斂的速度比較快，其原理是在控制的過程中不斷調整自己的控制規(guī)則來進行修正，然后達到改善控制性能的目的。[4]根據(jù)這一控制原理，控制器的設計采用模糊聚類算法進行自適應最優(yōu)模糊控制。通過自適應最優(yōu)模糊控制方法能夠很好地控制發(fā)電機的電磁轉矩指令。控制器主要由兩部分組成，分別是控制器和辨識器。自適應最優(yōu)模糊控制作為風力發(fā)電機組速度調節(jié)的一部分，在速度調節(jié)上有著重要作用。首先，使用辨識器將自適應函數(shù)靠近到未知的非線性函數(shù)中，然后辨識器得到的非線性函數(shù)復制到控制器中，實現(xiàn)其風能的最大控制。如圖2所示：

2.模糊邏輯控制

模糊邏輯控制原理主要是通過實時改變發(fā)電機轉速增量，同時檢測功率變化來感知風機當前工作點，從而確定新的轉速增量，利用這樣的搜索，使工作點穩(wěn)定在當前風速下的功率曲線值左右。[5]進行模糊邏輯控制的輸入量是有功功率以及增量、高速轉軸以及增量；輸出量是發(fā)電機在額定風速以下時的參考轉速增量，通過參考轉速增量從而得到參考轉速。輸入以及輸出量在經過正規(guī)的劃分以后可以得到7個模糊集，分別為正中、正大、正小；負中、負大、負小；零。利用模糊邏輯控制得到可以控制的參考轉速值，從而使風力發(fā)電系統(tǒng)在定向的風力下捕獲最大的風能。[5]但是，需要注意的是當參考的轉速過大時也會相應引起風力機組震蕩，遇到這種現(xiàn)象應該適當調整模糊邏輯控制系數(shù)，從而獲得合適的參考轉速值。

3.控制雙饋發(fā)電機的直接轉矩

控制雙饋發(fā)電機直接轉矩的原理主要是利用轉子磁鏈的速度，達到控制發(fā)電機的輸出功率目的。控制雙饋發(fā)電機的直接轉矩系統(tǒng)有外環(huán)以及內環(huán)組成，將反饋信號以及轉速的參考值進行比較，得到一個偏差；將偏差值輸入到速度調節(jié)器中就會得到轉矩指令信號；將該信號與實際的點刺轉矩進行比較，又得到一個偏差值；將該偏差值輸入到電壓源逆變器中，得到轉矩電流分量。這個轉矩電流分量能夠使風機轉速捕獲最大的風能。

4.勵磁控制

進行勵磁控制能夠實現(xiàn)雙饋發(fā)電機轉子電流上的變化規(guī)律，從而真正保證最大風能以及最小消耗。通過運用轉子電流分量的最優(yōu)數(shù)學模型以及勵磁控制模型能夠設計出雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能捕獲以及轉換的控制框圖。勵磁控制中雙饋發(fā)電機采用轉子電流閉環(huán)的形式，首先通過公示計算從而得到最大風能捕獲時轉子電流的數(shù)值，其次通過另一公示計算銅耗的最小運行的轉子電流，再次將計算得出的數(shù)值與實際測量得到的轉子電流反饋值進行比較，將比較得到的偏差輸入到電流調節(jié)器中，通過電流調節(jié)器得到電壓的解耦分量以及電壓補償分量，最后利用坐標進行變換得到雙饋電子發(fā)電機轉子的三相電壓控制指令。與傳統(tǒng)的功率控制相比，勵磁控制能夠減少無功功率以及有功功率的控制，過程比較簡單，從而最大限度控制風能，提高風電系統(tǒng)的工作效率。

三、系統(tǒng)仿真驗證雙饋發(fā)電機運行性能

主要是利用Matlab/Simulink軟件對雙饋發(fā)電機組系統(tǒng)進行仿真實驗，[6]在仿真過程中主要是采用了隨機風模型，并且在這種情況下，將發(fā)電機轉速以及電磁轉矩的變化仿真出來，通過仿真的結果對控制器的最大風能追蹤能力進行驗證，得出本文所使用的控制策略均與相關理論相符合，表明能夠實現(xiàn)最大風能控制的目的。具體的仿真參數(shù)設置如下：風力機：最大風能利用系數(shù)為0.29，最佳葉尖速為3.7，葉半徑為42m，額定功率為3MW。雙饋發(fā)電機：額定電量為2MV·A，定子電阻為0.0108pu，定子漏感為0.1202pu，額定電壓為710V，定轉子互感3.4 pu，轉子電阻為0.015pu，轉子漏感為0.11pu。風速為：初始風速為每秒9米，額定風速為每秒12米，到第三秒時改為每秒14米。

通過仿真實驗能夠得出，當?shù)?秒的風速從每秒9米轉變?yōu)槊棵?0米時，雙饋發(fā)電機的轉速開始上升，因為慣性的作用，從而使這一速度達到最佳的轉速點。發(fā)電機的角速度發(fā)生變化時能夠通過轉子電流的頻率對定子電流的頻率保持恒定，通過這個仿真能夠證明發(fā)電機在有功或者無功的解耦下實現(xiàn)其最大風能的控制。

四、結束語

要想實現(xiàn)雙饋風力最大風能的控制，必須首先了解雙饋風力機捕獲最大風能的工作原理，因此，本文首先就對其工作原理進行闡述，然后根據(jù)其工作原理采取適當?shù)目刂茖Σ撸饕菑淖赃m應最優(yōu)模糊控制、模糊控制、勵磁控制以及控制雙饋發(fā)電機的直接轉矩這幾方面來分析其實現(xiàn)最大風能的控制對策。最后，通過仿真技術及仿真實驗得出本文提出的控制雙饋發(fā)電機的對策均與理論相符合，取得了比較滿意的控制效果，從而驗證了這些控制策略的有效性以及準確性，能實現(xiàn)最大風能控制，最終提高發(fā)電機的工作效率。

參考文獻：

[1]劉其輝，賀益康，趙仁德.變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能追蹤[J].電力系統(tǒng)自動化，2003，（11）.

[2]張鳳閣，金石.變速恒頻無刷雙饋風力發(fā)電機的直接轉矩控制[J].太陽能學報，2012，（12）.

[3]姚興佳，韓嵩崟，趙希梅.變速恒頻雙饋風力發(fā)電機的最大風能追蹤控制[J].電氣傳動，2012，（7）.

[4]YIN Ming，LI Gengyin，ZHOU Ming，et a1.Analysis and Comparison of Dynamic Models for the Doubly Fed Induction Ge nerator Wind Turbine[J].Automation of Electric Power Systems，2006，（13）.

[5]鄭雪梅，李琳，徐殿國.雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能追蹤滑模變結構控制[J].控制理論與應用，2010，（7）.

[6]楊之俊，吳紅斌，丁明.故障時雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，（1）.

（責任編輯：王祝萍）