變速恒頻雙饋風力發(fā)電最大功率跟蹤控制

念麗波，劉雪楊，鄧永生，孟召陽

(昆明理工大學機電工程學院，云南 昆明 650500)

Control of Maximum Power Point Tracking of VSCF Double-fed Wind Power Generation

NIAN Libo，LIU Xueyang，DENG Yongsheng，MENG Zhaoyang

(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

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變速恒頻雙饋風力發(fā)電最大功率跟蹤控制

念麗波，劉雪楊，鄧永生，孟召陽

(昆明理工大學機電工程學院，云南 昆明 650500)

Control of Maximum Power Point Tracking of VSCF Double-fed Wind Power Generation

NIAN Libo，LIU Xueyang，DENG Yongsheng，MENG Zhaoyang

(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

摘要：為了充分有效地利用風能，發(fā)出較高的電能質(zhì)量，在分析了風力機最大風能捕獲機理和雙饋電機數(shù)學模型基礎(chǔ)上，提出了一種基于定子電壓定向下變速恒頻雙饋發(fā)電機最大功率跟蹤矢量控制策略。為了說明控制策略的有效性，在風速階躍變化下，利用Simulink建立了雙饋發(fā)電系統(tǒng)仿真模型及定子電壓定向矢量控制模型。仿真結(jié)果表明，該控制策略能夠快速準確控制風力發(fā)電系統(tǒng)進行最大功率跟蹤及變速恒頻控制。

關(guān)鍵詞：變速恒頻；雙饋風力發(fā)電；最大功率跟蹤

0引言

近年來，風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，但是如何充分有效地利用風能且使風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能質(zhì)量較高至關(guān)重要。目前風力發(fā)電機組有很多種，變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組因其變頻器容量小，能量可雙向流動，控制性能高，功率因數(shù)可調(diào)等特點逐步成為大型風電場的主要機型。因此，對變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)進行最大功率跟蹤控制具有重要的現(xiàn)實意義。

由于風能的隨機性和不穩(wěn)定性，使得風能的捕獲不僅取決于風力發(fā)電系統(tǒng)的機械特性，還與采用的控制策略密切相關(guān)。目前風力發(fā)電最大功率跟蹤主要方法有最優(yōu)葉尖速比法、功率信號反饋法、爬山搜索法、三點比較法、占空比擾動法等[2-4]。功率信號反饋法因其結(jié)構(gòu)簡單，實用性強等優(yōu)點，被廣泛應用于實際工程中。由于常采用磁場定向的矢量控制進行最大功率的跟蹤，而磁場定向需要磁鏈觀察器進行磁鏈觀察，因此增加了系統(tǒng)的復雜程度以及控制難度。

針對上述問題，分析了風力機最大風能捕獲原理及雙饋電機數(shù)學模型，在功率信號反饋基礎(chǔ)上，提出了基于定子電壓定向下的雙閉環(huán)變速恒頻雙饋發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制策略。在Simulink下進行了仿真實驗研究。仿真實驗結(jié)果驗證了所提出的控制策略的準確性和有效性。

1風力機最大風能捕獲原理

由空氣動力學相關(guān)知識，可知風力機捕獲的氣動功率為：

(1)

Cp為風能利用系數(shù)；β為槳距角；λ為葉尖速比；R為風輪半徑；ρ為空氣密度；v為風速。

由式(1)可知，對于不同風速，要使風力機輸出功率最大，要求Cp保持最大，即λ達到最優(yōu)值(β為定值)；根據(jù)λ=ωR/v可知，要實現(xiàn)最大功率跟蹤就要求風力機的轉(zhuǎn)速隨著不同的風速調(diào)整為最優(yōu)轉(zhuǎn)速。圖1為不同風速(v1>v2>v3)下風力機的輸出功率特性，Popt為各風速下最大輸出功率。

風力機運行在最佳功率狀態(tài)時的輸出功率為：

(2)

最大功率跟蹤過程如圖1所示，當風速從v3減小到v2時，風力機機械功率突變?yōu)镻B，由于轉(zhuǎn)速不能突變，發(fā)電機仍然運行在A點，其電磁功率PA大于風力機的機械功率。功率差值就會使發(fā)電機轉(zhuǎn)速從ωt3上升到ωt2，風力機輸入機械功率沿著轉(zhuǎn)速功率曲線上升，發(fā)電機電磁功率沿著最大功率追蹤曲線上升，最終達到v2風速時的最佳功率PC值。

圖1　風力機的功率特性

當風力機運行在最大功率時，忽略機械損耗的雙饋電機功率關(guān)系為：

(3)

2控制策略

2.1　雙饋電機數(shù)學模型

根據(jù)電機學的相關(guān)知識，可以得到雙饋發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)坐標系d,q下的數(shù)學模型，可以用如式(4)~式(6)來描述。

(4)

(5)

(6)

usd、usq、urd、urq分別為定轉(zhuǎn)子d和q軸電壓；Rs、Rr為定轉(zhuǎn)子等效電阻；isd、isq、ird、irq分別為d和q軸定轉(zhuǎn)子電流；ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分別為d和q軸定轉(zhuǎn)子磁鏈；ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ω為同步轉(zhuǎn)速。Lls、Llr、Lm分別為定轉(zhuǎn)子等效自感與互感。

2.2　轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的主要控制功能是為轉(zhuǎn)子提供合適的勵磁電流實現(xiàn)變速恒頻，以滿足電網(wǎng)電質(zhì)量的要求；控制轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)矩分量控制雙饋發(fā)電機的有功功率，實現(xiàn)最大功率的跟蹤；為所并電網(wǎng)提供合適的無功功率以保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量及穩(wěn)定運行。

2.2.1變速恒頻控制策略

根據(jù)電機學知識，要有效進行機電能量轉(zhuǎn)換，發(fā)電機定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場必須相對靜止，即

(7)

n1為定子磁場轉(zhuǎn)速；n2為轉(zhuǎn)子磁場相對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；nr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f1、f2分別為定轉(zhuǎn)子電流頻率；np為電機極對數(shù)。

通常定子電壓頻率與電網(wǎng)頻率相同，即為50 Hz。由式(7)可知，對于不同轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，只要有效地控制轉(zhuǎn)子電流頻率即可保證定子輸出頻率為工頻(50 Hz)，即實現(xiàn)變速恒頻。

2.2.2最大功率跟蹤控制策略

由上述分析可知，最大功率跟蹤主要是控制發(fā)電機輸出的有功功率來調(diào)節(jié)其電磁轉(zhuǎn)矩，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。因此，采用定子電壓定向d軸的矢量變換控制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)定轉(zhuǎn)子的勵磁分量，來實現(xiàn)功率解耦及最大功率跟蹤控制。

當采用定子電壓定向d軸時，

(8)

忽略定子側(cè)電阻及機械損耗時，將式(8)代入雙饋電機的數(shù)學模型方程組(4)～(6)可得：

(9)

(10)

(11)

可以看出，分別控制轉(zhuǎn)子電流有功分量ird及無功分量irq，即可控制雙饋電機有功功率及無功功率。因此，采用功率外環(huán)及轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，進行有功功率、無功功率解耦，實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制。

3仿真實驗研究

為了驗證控制策略的有效性，進行了仿真研究，使用參數(shù)為：三相兩極雙饋發(fā)電機，額定功率為10 kW，額定電壓為380 V，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量0.1 kg·m2，定、轉(zhuǎn)子繞組都為星形連接，定、轉(zhuǎn)子電阻及漏感分別為0.379 Ω、0.043 8 mH、0.314 Ω、0.044 9 mH，互感為0.042 7 mH,變流器開關(guān)頻率為5.0 kHz，直流電壓初始值為350 V，穩(wěn)定值設(shè)在750 V。電機參數(shù)均折算到定子側(cè)。 圖2為最大功率跟蹤波形。圖2a為階躍風速變化；圖2b為階躍風速變化下，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨之變化，以追蹤風力機的最大功率；圖2c為階躍風速下，發(fā)電機的輸出有功功率及風力機功率比較，可以看出在風速變化的過程中，發(fā)電機發(fā)出的功率能夠快速、穩(wěn)定、準確地跟蹤上風力機的輸出功率，只是由于忽略了各種損耗，在風速較大時存在一定誤差，但是并不影響最大功率跟蹤效果。圖2d為風力機風能利用系數(shù)波形，可以看出在風速階躍變化下，風力機的利用系數(shù)始終保持最大。

圖2　最大功率跟蹤波形

圖3為變速恒頻仿真波形。圖3a、3d為發(fā)電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子電流隨著風速變化波形，在0.1~0.37 s內(nèi)，發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1 375 r/ min，亞同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流頻率為5 Hz；在0.37~0.81 s內(nèi)，發(fā)電機轉(zhuǎn)速1 500 r/ min，同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流頻率為0 Hz；在0.81~1.2 s內(nèi)，發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1 750 r/ min，超同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流頻率為-5 Hz。 圖3b轉(zhuǎn)速變化過程中定子與網(wǎng)側(cè)的電壓差值，可以看出差值幾乎為0，即二者幅值基本上相等。圖3c為定子電壓的頻率圖，可以看出定子側(cè)輸出電壓頻率穩(wěn)定在工頻50 Hz左右實現(xiàn)變速恒頻運行。

圖3　變速恒頻仿真波形

4結(jié)束語

分析了風力機捕獲最大風能及雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)變速恒頻原理，在功率信號反饋的基礎(chǔ)上，提出了基于定子電壓定向下的雙饋發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤及變速恒頻控制策略,并對其進行仿真研究。仿真結(jié)果表明，在不同風速下，文中所提出的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略均能有效滿足最大風能追蹤，變速恒頻控制要求，具有較高的實用價值。

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Abstract:To utilize the wind energy fully and effectively, improve electricity output quality, the mechanism of wind turbine capture maximum wind energy and the mathematical model of doubly fed generator are analyzed. On that basis, the controlling strategy of maximum power tracking under stator voltage oriented is derived. To illustrate the effectiveness of the control strategy, Simulink is used to build the model of maxi mum power tracking control under step wind speeds. Simulation results show that the control strategy can control the wind power generation system for maximum power point tracking and variable speed constant frequency quickly and accurately.

Key words:variable speed constant frequency; double-fed wind generation; maximum power point tracking

作者簡介：念麗波(1989-)，男，云南曲靖人，碩士研究生，研究方向為微網(wǎng)控制；劉雪楊(1990-)，男，云南文山人，碩士研究生，研究方向為微網(wǎng)控制；鄧永生(1990-)，男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為微網(wǎng)控制。

收稿日期：2015-09-02

文章編號：1001-2257(2015)12-0053-04

文獻標識碼：A

中圖分類號：TM461