考慮損耗功率的雙饋風力發電系統最大風能跟蹤控制

考慮損耗功率的雙饋風力發電系統最大風能跟蹤控制

李濱，李嵐

(太原理工大學 電氣與動力工程學院，山西 太原030024)

摘要：對雙饋風力發電系統傳統功率曲線反饋控制方法作出改進，提出考慮損耗功率的最大風能跟蹤控制策略。此方法通過MATLAB/Simulink建立精確的雙饋風力發電機模型，并搭建考慮了銅耗、鐵耗、機械損耗及雜散損耗的控制模型。經過仿真，驗證了優化后控制策略的正確性。

關鍵詞：雙饋風力發電系統； 最大功率點跟蹤； 損耗功率； 功率控制優化

通訊作者:李濱

中圖分類號：TM 614文獻標志碼： A

收稿日期:2015-02-09

Maximum Power Point Tracking Control for Doubly-Fed Wind

Energy Conversion Systems Considering Loss Power

LIBin，LILan

(School of Electrical and Power Engineering， Taiyuan University of Technoloy, Taiyuan 030024, China)

Abstract：In order to optimize the traditional power curve feedback control method, a maximum power point tracking control strategy considering loss power for doubly-fed wind energy conversion systems based on doubly-fed wind power generation was system prosed. This method built a precise model of doubly-fed wind power generator by MATLAB/Simulink and set up control model considering copper loss, iron loss, mechanical loss and stray loss. The simulation results verified the accuracy of the optimized control strategy.

Key words： doubly-fed wind energy conversion systems; maximum power point tracking(MPPT); loss power; optimization of power control system

0引言

隨著傳統能源的匱乏，風力發電得以迅猛發展，雙饋風力發電機以其造價低、變頻器容量小、有功無功可解耦控制等優點成為風力發電的主流發電機。對于雙饋機組的最大功率點跟蹤控制(Maximum Power Point Tracking， MPPT)，各國學者做了很多研究。目前運行中的風電場主要采用功率曲線反饋法的控制策略，然而實際運行中其實際發出的功率總在理想功率曲線以下且偏差較大。本文基于雙饋風力發電系統，分析研究了風力機與雙饋發電機在最大風能跟蹤時的功率曲線，發現風力機的曲線要高于雙饋電機發出的功率。這是由于風電機組存在功率損耗，且隨著風速變化功率損耗值也發生改變。如果以風力機的最大功率曲線來控制雙饋發電機，必將導致不能準確地給定發電機的最大功率參考值，影響風電機組的風能捕獲率。針對此問題，本文提出了考慮損耗功率的雙饋風力發電系統最大風能跟蹤控制策略。

1最大風能捕獲的基本理論

1.1風力機模型

根據空氣動力學，風力機的輸入功率可表達為

(1)

式中:ρ——空氣密度；

Sw——風力機葉片迎風掃掠面積；

v——進入風力機掃掠面之前的空氣流速。

由于通過風輪旋轉面的風能并非全部都能被風力機吸收，故可定義風能利用系數Cp來表征風力機捕獲風能的能力：

(2)

(3)

(4)

式中：β——槳距角(小于額定風速時為0)；

λ——葉尖速比；

ω——風輪角速度；

R——風輪半徑。

這樣風力機的輸出功率為

(5)

1.2功率曲線法的最大風能捕獲原理

由式(2)、式(3)可得Cp與λ的關系，如圖1所示。

圖1　風力機C p-λ曲線

當槳距角不變時，風能利用系數Cp僅與葉尖速比λ有關。由式(4)可知，當風速變化時只需調節發電機轉速ω，使λ保持在最佳值λopt，就可使得Cp保持在最大值Cpmax，使風輪捕獲最大的風能。

將不同風速代入式(5)，可得在不同風速下風力機輸出機械功率的曲線，將輸出功率的最大值連接起來，就形成一條最佳功率轉速Pmax-ω曲線，如圖2所示。在此條曲線上的Cp為最大值。

圖2　最佳功率轉速P max-ω曲線

由于實際運行中風速較難準確檢測，無法直接給出與之相對應的最佳轉速指令，故一般不直接采取轉速閉環控制，而是控制從風力機軸上吸收的機械功率，以此實現對轉速的間接控制。這種控制方式不以轉速為直接目標，而是通過最佳功率曲線獲得最佳轉速和最佳葉尖速比為最終目的。

將式(4)代入式(5)得

(6)

1.3功率參考值的計算

(7)

式中：s——雙饋發電機的轉差率。

2損耗的存在對最大風能捕獲的影響與改進方法

2.1損耗對最大風能捕獲的影響

在實際運行時，由于風電機組存在功率損耗，且隨著風速變化功率損耗值也發生改變，導致控制方法實際應用時不能準確地給定最大功率參考值，影響風電機組的風能捕獲率。

在圖3中，設發電機穩定運行在A點，此時發電機機端輸出功率為PoA，功率損耗為Ploss，則風力機輸出功率Popt=PoA+Ploss，因此風力機實際運行在B點。運行控制并不檢測風速，此時發電機默認的風速為v3，并工作在其最大功率點上，但實際風速為v4，導致風力機不能運行在風速為v4的最大功率點上。以此分析，在設定好最佳功率曲線后，控制發電機運行在此條曲線上，由于功率損耗的存在，風力機與發電機并不能同時都工作在最佳功率曲線上。因為風電機組是通過檢測發電機狀態來間接控制風力機的，就導致發電機運行在最佳功率曲線b上，而風力機運行在偏離最佳功率曲線的曲線a上，如圖3所示。只有使風力機運行在最佳功率曲線上才能捕獲最大的風能，所以損耗的存在導致風力機不能捕獲最大風能。

圖3　不考慮功率損耗的風力機與發電機運行曲線

2.2改進方法

使風力機運行在最佳功率曲線上，必須考慮功率損耗對控制方法的影響。若在給定發電機參考功率時減掉合適的損耗功率Ploss，使發電機運行在圖4中b曲線上，則風力機運行在最大功率曲線a上。

圖4　考慮功率損耗的風力機與發電機運行曲線

準確地計算損耗功率Ploss是解決問題的關鍵。由于雙饋電機鐵耗主要產生于定子鐵心中，則雙饋電機定子給定有功功率參考值應修改為式(8)，無功功率參考值不變。

(8)

式中：Pms——機械損耗與雜散損耗之和；

PCus——定子銅耗；

PFe——鐵耗。

電機的機械損耗與雜散損耗之和Pms取50W。

定子銅耗計算模型為

(9)

式中：Is——定子電流；

Rs——定子電阻。

鐵耗計算模型為

(10)

式中：RFe——等效鐵耗電阻；

IFe——等效鐵耗電阻電流。

3考慮損耗功率的發電機模型

若將功率損耗考慮到發電機的控制策略中，必須建立雙饋電機的精確模型。雙饋電機在同步旋轉d、q坐標系下的穩態等效電路如圖5所示。

圖5　d、q軸旋轉坐標系下的雙饋發電機等效電路

其數學模型如下。

電流方程：

(11)

式中：idm、iqm、ids、iqs、idr、iqr——勵磁電流、定子電流、轉子電流在d、q軸的分量；

idFe、iqFe——等效鐵耗電阻RFe在d、q軸

上的電流分量。

磁鏈方程：

(12)

式中：ψds、ψqs、ψdr、ψqr——定、轉子在d、q軸上的磁鏈分量；

L1s、L1r——定、轉子漏感；

Lm——互感。

電壓方程：

(13)

式中：Uds、Uqs、Udr、Uqr——定、轉子在d、q軸上的電壓分量；

Rs、Rr、RFe——定子、轉子、等效鐵耗電阻；

p——微分算子；

ω1——同步速；

ωslip——轉差電角速度。

轉矩方程：

(14)

式中：Te——雙饋電機的電磁轉矩；

np——極對數。

4仿真研究

為了驗證本文提出思想的有效性，使其與不考慮功率損耗的功率曲線法的最大功率跟蹤效果作比較，采用風力機模型及精確的雙饋發電機數學模型，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型。風力機與雙饋發電機參數如表1所示。

給定風速波形，如圖6所示。在1.25s有一個較大的風速上升階躍，在此后的2.5s、3.75s處分別有一個較小的風速下降階躍。

表1　風電機組參數

圖6　風速波形

采用不考慮損耗功率的功率反饋法，仿真波形如圖7所示。從圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)可看出其分別與轉速、風能捕獲系數Cp、功率的理想曲線存在偏差，且隨著風速的不同偏差大小不同，驗證了前文的分析結果。圖7(d)為發電機發出功率的曲線。

采用考慮損耗功率的功率反饋法，仿真波形如圖8所示。從圖8(a)～圖8(c)可看出其分別跟蹤轉速、風能捕獲系數Cp、功率的理想曲線。與圖7(d)相比發出功率有明顯的增加。證明了此方法提高了風能捕獲效率，實現了最大風能捕獲。

5結語

本文通過分析雙饋風力發電系統中風力機與雙饋發電機最大功率跟蹤曲線的差異，提出了考慮損耗功率的雙饋風力發電系統最大功率跟蹤的控制方法。此方法基于雙饋發電機的精確數學模型，準確計算出參考功率，使風力機運行在最大功率跟蹤曲線上，實現最大風能的捕獲。為驗證此方法的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了樣機仿真，并通過對考慮損耗功率的功率曲線反饋

圖7　不考慮損耗功率的仿真波形

圖8　考慮損耗功率的仿真波形

法與不考慮損耗功率的功率曲線法的仿真比較，驗證了本文思想的正確性，實現了風電機組的最大風能跟蹤。本方法對現有的風電控制系統優化具有指導性意義。

【參 考 文 獻】

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