直驅型同步風力發電機組最優功率控制

張文秀，　陸豪乾,　孫　娟

(1. 南京理工大學 能源與動力工程學院，江蘇 南京　210094；2. 國電南瑞科技股份有限公司 深圳分公司，廣東 深圳　518054)

直驅型同步風力發電機組最優功率控制

張文秀1，陸豪乾2,孫娟1

(1. 南京理工大學 能源與動力工程學院，江蘇 南京210094；2. 國電南瑞科技股份有限公司 深圳分公司，廣東 深圳518054)

以直驅型同步風電機組為研究對象，建立了機組各個組成部分的數學模型。在此基礎上利用MATLAB/Simulink搭建了基于全功率變流器的并網直驅型同步風電機組的仿真模型，研究了使機組運行在最優功率狀態下的綜合控制策略，利用所建模型進行了最優功率控制思路的驗證。仿真結果表明了所建立模型的正確合理性，在此基礎上的最優功率控制方法也是有效的，為以后對風電機組運行控制更進一步的研究奠定了基礎。

直驅型同步風電機組； 仿真； 最優功率； 運行控制

0　引　言

“十二五”規劃中，新能源繼續被作為戰略性新興產業的重要內容。我國的風電總裝機容量將進一步增加,開展風電接入系統的運行與控制技術研究對保證風電大規模接入后電力系統的穩定運行具有十分重要的意義。

變速恒頻風力發電是20世紀末發展起來的風能開發技術，正成為風電技術的主流，具有運行效率高、機組磨損小、電能質量佳等優點[1]。如何對風電機組進行控制使其運行在最優的功率狀態下，已成為最近研究的一個熱點。與雙饋風力發電機組相比，直驅型同步風力發電機組省去了易損壞的齒輪箱，提高了系統效率和可靠性，采用永磁體勵磁，不存在勵磁繞組損耗問題，具有較強的低電壓穿越壓力，目前已成為風電機組的主要機型之一。

基于雙PWM型變流器的直驅型同步發電系統，具有優良的運行特性和功率雙向流動等優點，可使得有功功率和無功功率得到獨立控制，實現全功率并網，其拓撲結構受到了廣泛關注和研究[2]。本文根據直驅型同步風電系統的特性，詳細構建了包括風力機、傳動系統、永磁同步發電機、PWM整流器在內的整個系統的數學模型，并利用MATLAB/Simulink建立仿真模型，仿真研究了額定風速以下基于轉速控制的最大功率跟蹤策略和額定風速以上槳距角控制的功率控制策略。通過電機側變流器和電網側變流器的協調控制，從而使風電機組運行在最佳輸出功率下，實現了風電機組整個運行過程的最優功率控制。

1　直驅型風電機組系統及數學模型

本文研究采用的直驅型風電機組系統結構如圖1所示，主要包含以下模塊： 風力機、永磁同步發電機、雙PWM型全功率變流器及電網。其中風力機將風能轉化為機械能，永磁同步發電機再將機械能轉化為電能后經變流器整流逆變后饋入電網。

圖1　基于雙PWM變換器的直驅風電系統結構

1.1風力機模型

根據貝茨(Betz)理論[3]，風輪捕獲的風能即風力機吸收的機械功率為

(1)

(2)

Pw=Twωw

(3)

(4)

式中：ρ—空氣密度；

R——風力機轉子半徑；

Cp——風能利用系數；

λ——葉尖速比；

β——槳距角；

v——風速；

ωw——風力機轉子轉速；

Tw——風力機的機械輸出轉矩。

風力機獲取風能的大小由風能利用系數Cp決定，而風能利用系數Cp與葉尖速比λ和槳距角β是非線性關系。在給定槳距角和給定風速的情況下，風力機只有運行在一特定的轉速下Cp才最大，輸出的功率也最大。將各風速下對應的最大功率連線，就能得到風力機的最優功率曲線[4]。在電力系統動態仿真中，通常采用逼近法描述Cp[5]：

式中：C1=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068[6]。

1.2永磁同步發電機模型

對于永磁同步發電機(Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG)，除了勵磁繞組用永磁體代替以外，其他基本上與同步發電機一樣。因此，只要用永磁轉子的等效磁導率算出電機的各種電感，并假定其勵磁電流為常數，就可以采用同步電機的分析方法進行分析。

本文在d、q軸同步旋轉坐標系下建立的PMSG模型為

(7)

式中：isd、isq——發電機的d、q軸電流；

Ra——定子電阻；

Ld、Lq——發電機的d、q軸電感；

ωe——電角頻率，ωe=npωg；

np——發電機極對數；

ψ0——永磁體的磁鏈；

ud、uq——發電機輸出電壓的d、q軸分量。

對于徑向式轉子磁路結構有Ld=Lq[7]，令Ld=Lq=L，式(7)可以寫成

(8)

定義q軸反電勢eq=ωeψ0，d軸反電勢ed=0[8]，PMSG在d、q軸同步旋轉坐標系下的等值電路如圖2所示。

圖2　d、q軸同步旋轉坐標系下的等值電路

PMSG的電磁轉矩Te為

Te=1.5np[(Ld-Lq)isdisq+isqψ0]

(9)

由Ld=Lq=L可知，電磁轉矩Te不受id的影響，因此將其簡化為

Te=1.5npisqψ0

(10)

由式(10)可看出，通過控制發電機定子q軸電流就可以控制發電機的電磁轉矩，從而進一步控制發電機轉速。

1.3傳動系統模型

直驅型同步發電機組省去了傳統風機中的齒輪箱，風輪機轉軸直接與發電機轉子相連，因此發電機轉子轉速與風輪葉片轉速相等。直驅型同步發電機組的軸系動態方程可用一階動態微分方程表示[9]：

(11)

式中：ωm——轉子機械角速度，ωr=npωm；

Jeq——機組等效轉動慣量；

f——阻尼系數。

1.4變流器模型

電機側變流器與發電機定子直接相連，在d、q軸同步旋轉坐標系下的電壓方程為

(12)

功率方程為

(13)

電網側變流器通過直流電容與電機側變流器相連，網側變流器在d、q軸同步旋轉坐標系下的電壓方程為

(14)

式中：R、Lg——電網側線路等效電阻、網側變流器進線電抗器電感；

ugd、ugq——網側變流器電壓的d、q軸分量；

igd、igq——網側電流的d、q軸分量；

egd、egq——電網電壓矢量ug的d、q軸分量；

ωg——電網電壓電角速度。

在選取d軸電網電壓定向時，egq=0，電網側變流器與電網交換的有功功率和無功功率分別表示為

(15)

2　最優功率控制系統

對于特定的風力機，都有一條特定的最優轉速-功率曲線。最優功率曲線可以通過試驗確定，生產廠家可以將最優功率曲線整定進系統。直驅型同步風電機組的功率控制目標就是使機組運行在最優功率曲線上[10]。

直驅型同步風電機組最優功率控制系統主要由電機側變流器控制系統、電網側變流器和槳距角控制系統組成。在額定風速以下，直驅型風電機組的最優功率控制通過電機側變流器來調節發電機轉速，從而實現最大功率點跟蹤。在額定風速以上，直驅型風電機組的最優功率控制通過變槳控制系統控制風機輸出功率維持在額定值附近。網側變流器主要在功率輸出時穩定直流環節電壓，對有功功率和無功功率進行解耦，在穩態并網時實現單位功率因數輸出，保證機組輸出有功功率最大[11]。上述控制系統共同作用，將直驅型風電機組維持在最優功率運行狀態，提高機組發電效率。

2.1發電機側變流器控制

發電機側變流器采用轉子磁場定向的矢量控制技術實現對該電機的控制。系統采用轉速外環、電流內環的雙閉環控制結構，經過PI調節和電壓前饋補償得到參考電壓指令，再通過利用電壓空間矢量脈寬調制技術來控制變換器中開關的通、斷，進而調節發電機定子電流。控制發電機定子電流d軸分量為0，當風速變化時，通過控制發電機定子電流q軸分量可實現對電磁轉矩的控制。通過調節發電機的電磁轉矩來及時調整風力機轉速，使其始終保持最佳λ運行，即可實現直驅型永磁同步風力發電機組的最佳風能跟蹤控制。

0當風速變化時，永磁同步發電機輸出的最優功率指令P*可以表示為

P*=kω3-ΔP

(16)

其中：k=ρA(R/λopt)3Cpmax/2

ΔP=P0+PCus+PFes

式中：P0、PCus、PFes——機械損耗、定子銅耗、定子鐵耗[12]。

根據式(16)給出的有功功率指令P*控制發電機輸出的有功功率P，可使風力機實時捕獲最大風能。控制系統外環采用有功功率的閉環PI控制，其調節輸出量作為發電機定子電流q軸分量給定；控制系統內環則分別實現定子d、q軸電流的閉環控制。

2.2網側變流器控制

結合發電機側變流器和電網側變流器相關信息構成的控制框圖如圖3所示。

2.3槳距角控制

槳距角控制的目標是當風速大于額定風速時，為使發電機和變流器容量不至于過載，風力機捕獲的風能不能繼續增加而保持不變。這時應調節風力機葉片的攻角，使風力機葉片向迎風面積減小的方向轉動一個角度，以減小風能捕獲，限制風電系統的功率輸出，使其保持在額定功率附近，從而保證風電系統的安全穩定運行。

本文采用槳距角控制策略如圖4所示。其中，風電機組的實際輸出功率P與給定功率參考值Pref之間的偏差經過區間[0,∞]的限制后輸入到PI調節器，這樣確保在風機功率超過額定功率時起動槳距角控制系統，以限制系統功率輸出；通過PI調節可實現輸出功率的無差控制，并且還能提高槳距角控制系統的動態響應速度，從而使風電系統的輸出功率限制在額定值附近[16]。當風速大于額定風速時，風速v與風機的額定風速vN之間的偏差輸入到PI調節器，兩調節器輸出之和再經[βmin,βmax]限制得到槳距角的控制信號。

圖4　槳距角控制框圖

3　仿真分析

本文利用MATLAB/Simulink仿真軟件，建立了直驅型永磁同步發電機組的仿真模型，具體參數如下： 額定風速11m/s，風輪直徑3m，額定功率5000W，定子電阻0.02Ω，機組轉動慣量0.335kg·m2，極對數15，直流側電容1800μF，直(交)軸電感7.8mH，永磁體磁鏈1.12Wb。

為了很好地驗證所建模型的正確性，以及分析機組的最優功率控制效果，仿真風速采用具有幾次突變過程的風速(見圖5)。在額定風速以下，驗證風電機組能否根據風速變化來調節風力機轉速，實現最大功率點跟蹤；在額定風速以上，驗證此時風電機組能否實現變槳控制，實現輸出功率穩定。

圖5　仿真結果

由圖5可知，在風速低于額定風速時，發電機的轉速與輸出的有功功率具有良好的動態響應特性，電機側變流器根據風速變化調節發電機轉速，明顯看出發電機電磁轉矩也跟隨變化，槳距角沒有變化，風能利用系數曲線保持在最大值上，實現了最大功率點的跟蹤，此時風電機組功率運行在最優值。當風速高于額定風速時，槳距角隨著風速的變化及時調整，進行變槳控制，發電機電磁轉矩曲線和轉速曲線沒有發生改變，發電機輸出的有功達到額定值，并且維持在這一額定值不變，實現了高風速下的最優功率控制，有利于風電機組的安全運行。在風電機組整個運行過程中，由于電網側變流器采用單位功率因數控制，直流環節電壓基本保持不變，無功功率也基本在零值附近波動，很好地實現了功率解耦。同時，由圖5(i)中曲線可知，發電機定子d軸電流為0，q軸電流變化趨勢與電磁轉矩變化趨勢一致，驗證了發電機側變流器通過控制q軸電流實現控制電磁轉矩進而實現最大功率點跟蹤的有效性。

4　結　語

本文詳細描述了直驅型風電機組各個組成模塊的數學模型，并利用MATLAB/Simulink進行仿真，得到風能利用系數、槳距角、發電機轉速、有功和無功功率等一系列仿真曲線。從仿真運行結果可以看到，本文所建立的基于雙PWM變流器直驅型同步風電機組模型正確有效，實現了機組的變速運行和最大功率跟蹤及系統有功、無功功率的解耦控制，具有很好的動態響應性能，能適應風速的突然變化，驗證了最優功率控制策略的有效性。一系列的控制過程使得風電機組在整個運行過程中能夠保持在最優功率運行狀態。這對以后大規模風電機組運行控制研究有一定的指導意義。

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Optimal Power Control Research of Direct-Driven Wind Turbine with Synchronous Generators

ZHANGWenxiu1,LUHaoqian2,SUNJuan1

(1. School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094, China； 2. NARI Technology Development Co., Ltd., Shenzhen 518054， China)

Focused on the direct-driven wind turbine with synchronous generators. An overall mathematical model comprising all components of the system was established, with the mathematical model, a direct-driven wind power generation system simulation model which was connected to the grid based on full scale converter was set up by MATLAB/simulink, then researched the integrated control strategies used to make the system operate in the condition of the optimal power, the idea of optimal power control was studied by using the established model .The simulation results showed that the established model was correct and reasonable, and the control strategies of the optimal power based on the model was effective, which lays the foundation for further research on the operational control of wind generation system.

direct-driven wind turbine with synchronous generators; simulation; optimal power; operational control

2014-09-10

TM 315

A

1673-6540(2015)03-0047-06