基于MATLAB的雙饋風(fēng)電機(jī)組控制器的建模和仿真

楊家然，羅曉芬，蔣程，江園園

(1.華能威海發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 威海 264205;2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206;3.首優(yōu)咨詢(北京)有限公司，北京 100025)

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、建設(shè)生態(tài)文明、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，成為人類社會的普遍共識。目前以風(fēng)能、太陽能等為代表的間歇性能源已成為當(dāng)今世界的潮流，同時也是建設(shè)智能電網(wǎng)，推動低碳經(jīng)濟(jì)不可或缺的重要組成部分。

據(jù)初步統(tǒng)計，2011年中國新增風(fēng)電裝機(jī)容量接近18GW[1]，2012年國內(nèi)風(fēng)電市場發(fā)展將依然延續(xù)2011年的發(fā)展趨勢，新增裝機(jī)將維持在18GW 以上[2]，到2015年，風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到100GW，中國已經(jīng)是世界上風(fēng)電設(shè)備制造大國和風(fēng)電裝機(jī)容量最多的國家，成為名副其實的風(fēng)電大國。并網(wǎng)型風(fēng)電場是風(fēng)電開發(fā)的主要方式。兆瓦級雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)電場的主力機(jī)型之一[3]。雙饋機(jī)組能夠?qū)τ泄Τ隽蜔o功出力進(jìn)行解耦控制，實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，運(yùn)行性優(yōu)良，但這也使雙饋機(jī)組控制結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在有大量雙饋機(jī)組接入電力系統(tǒng)的情況下，開發(fā)適用于系統(tǒng)級仿真的雙饋機(jī)組控制模型是含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。

2 雙饋風(fēng)機(jī)控制器的建模

2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

PI控制方法具有理論完善、概念清晰、調(diào)整方便和易于實現(xiàn)的特點[5]，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制上來。基于PI控制器的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制框圖如圖1所示。

圖1 額定轉(zhuǎn)速以下速度控制

圖1中，Pmeas為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)所發(fā)出的有功功率，包含網(wǎng)側(cè)濾波電容的功率，其控制的原理是實時采樣發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率，然后根據(jù)P-w曲線估計出對應(yīng)此功率時的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，然后讓發(fā)電機(jī)的實際速度跟蹤最優(yōu)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到追蹤最佳Cp的目的，P-w曲線如圖2所示。

圖2 P-w曲線示意圖

圖中，P為風(fēng)機(jī)發(fā)出的有功功功率;Speed代表發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

PI控制器的控制方程為:

其中Kp、Ki為PI控制器的參數(shù);ωr為發(fā)電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。

通過電磁轉(zhuǎn)矩的參考值Tem_cmd，電磁轉(zhuǎn)矩的控制框圖如圖3所示。

圖3 電磁轉(zhuǎn)矩的內(nèi)環(huán)控制

圖中，Vdqs為定子電壓;Idqs代表定子電流;ω代表同步轉(zhuǎn)速度;Lm和Ls為定子互感和電感;Idr ref為轉(zhuǎn)子電流的參考值。

圖3所示的控制原理為:通過檢測定子電流、定子電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速估算出定子的磁鏈，然后根據(jù)式(2)即可求出轉(zhuǎn)子電流的有功分量，電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式為:

其中 idr=I'2cosφ2

2.2 無功功率控制

雙饋風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)連接簡單，發(fā)電機(jī)本身不需要另外附加的無功補(bǔ)償設(shè)備，可實現(xiàn)功率因素一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，例如從0.95領(lǐng)先到0.95滯后范圍內(nèi)，因而具有調(diào)節(jié)無功功率出力的能力。

無功功率的控制框圖如圖4所示。

圖4 無功功率的控制框圖

圖中，1/z為延遲環(huán)節(jié);iqr ref為轉(zhuǎn)子電流的qv軸分量，其控制思想是通過控制網(wǎng)側(cè)電壓來控制無功功率，而網(wǎng)側(cè)電壓又通過轉(zhuǎn)子電流的q軸分量控制。

3 仿真分析

無功補(bǔ)償可以提高電力系統(tǒng)的電壓水平，減小網(wǎng)絡(luò)損耗和改善電力系統(tǒng)的動態(tài)性能[7，8]，雙饋風(fēng)機(jī)具有快速無功補(bǔ)償能力。

3.1 發(fā)出感性無功

圖5 無功功率的參考值(感性)

圖6 網(wǎng)側(cè)電壓的有效值和A相的初相角

從圖5和圖6可以看出，當(dāng)感性無功功率向上調(diào)節(jié)時，網(wǎng)側(cè)電壓的有效值有所上升，但其相位基本不變。

圖7 定子側(cè)電流的有效值和A相的初相角

圖7表明，當(dāng)無功功率在10s時從0階躍變化到0.1pu時，定子電流的有效值下降，但同時可以看出，在50s無功功率繼續(xù)增加(從0.1～0.2)時，定子電流回到略低于原始值的某個值;定子電流(A相)的相位逐漸降低。

圖8 網(wǎng)側(cè)變頻器電流的有效值和A相的初相角

圖8顯示，在無功功率調(diào)節(jié)的過程中，網(wǎng)側(cè)變流器的電流的幅值和相位變化很小。

3.2 發(fā)出容性無功

圖9 無功功率的參考值(容性)

圖10 網(wǎng)側(cè)電壓的有效值和A相的初相角

圖11 定子側(cè)電流的有效值和A相的初相角

圖12 網(wǎng)側(cè)變流器電流的有效值和A相的初相角

圖10～圖12顯示了系統(tǒng)發(fā)出容性無功功率時，網(wǎng)側(cè)電壓、定子側(cè)電流和網(wǎng)側(cè)變流器電流的動態(tài)響應(yīng)。從中可以看出，當(dāng)發(fā)出容性無功增加時，網(wǎng)側(cè)電壓會下降，定子側(cè)電流會上升，其相位會變大，網(wǎng)側(cè)變流器的電流變化不大。

4 結(jié)論

在MATLAB2011a中搭建了雙饋風(fēng)電機(jī)組的控制器仿真模型，對無功控制環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的仿真，分析了無功功率變化時對網(wǎng)側(cè)逆變器和發(fā)電機(jī)定子轉(zhuǎn)子電流的影響。結(jié)果表明，在無功功率調(diào)節(jié)的過程中網(wǎng)側(cè)變流器的電流的幅值和相位變化很小，當(dāng)發(fā)出容性無功增加時，網(wǎng)側(cè)電壓會下降，定子側(cè)電流會上升，其相位會變大，網(wǎng)側(cè)變流器的電流變化不大。

[1]李俊峰.風(fēng)光無限：中國風(fēng)電發(fā)展報告2011[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011：2 －4.

[2]李俊峰.2012中國風(fēng)電發(fā)展報告[R].

[3]蔣程，劉先正.風(fēng)電機(jī)組出力的概率性評估[J].現(xiàn)代電力，2013(1)：51 －54.

[4]喬嘉賡，魯宗相，嚴(yán)慧敏，等.雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制器的建模與仿真[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31(24)：34 －37.

[5]張愛國，韓軍鋒，蔣程.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PI控制的SSSC潮流控制器[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010(22)：15 －19+24.

[6]JIANG C，ZHANG J H，YU L.Reliability Probability Evaluation of Wind Turbine Based on Monte-Carlo Simulation.2012 China International Conference on Electricity Distribution，Shanghai，2012.

[7]張愛國，張建華，蔣程.靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器的恒阻抗模型及其雙閉環(huán)控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010(3)：106 －111.

[8]吳杰康，蔣程，張建華，等.一種優(yōu)化系統(tǒng)動態(tài)性能的新型SSSC控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報，2011(12)：156 －161.