差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制研究

芮曉明,謝魯冰,高學(xué)偉，修長(zhǎng)開

(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京 102206)

0 引言

與變速恒頻風(fēng)電機(jī)組易造成電網(wǎng)頻率波動(dòng)不同，差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組通過機(jī)械化的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)恒速輸出。因此，針對(duì)其并網(wǎng)控制的研究是實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全平穩(wěn)并網(wǎng)的重要保障。劉華新等[1]針對(duì)風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件，提出了重要度灰色模糊評(píng)判方法；王春梅[2]針對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)主軸承故障，提出了基于深度置信網(wǎng)絡(luò)的診斷方法；Jelaska等[3]提出了一種新型功率合成混合變速器；武鑫[4]建立了“彈簧-阻尼-質(zhì)量”的三軸動(dòng)力學(xué)模型;Zhao等[5]提出了一種類似分功率傳動(dòng)鏈的系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念；李林[6]研究了一種高機(jī)械傳動(dòng)與液力調(diào)速相結(jié)合的傳動(dòng)方案；芮曉明等[7]提出了一種基于差動(dòng)調(diào)速機(jī)構(gòu)(speed regulating differential mechanism，SRDM)的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)概念設(shè)計(jì)；武鑫等[8]提出了一種用于并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的液壓機(jī)械變速傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；Krupke等[9]通過試驗(yàn)得出混合型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在風(fēng)速波動(dòng)條件下的平穩(wěn)功率輸出；蘇睿[10]進(jìn)一步驗(yàn)證了差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)原理可行性[11]。

近年來，針對(duì)差動(dòng)風(fēng)電機(jī)組的研究主要從動(dòng)力特性角度展開，而針對(duì)其運(yùn)行特性仿真和控制系統(tǒng)并網(wǎng)試驗(yàn)等方面的研究則相對(duì)較少。本文利用仿真平臺(tái)得出差動(dòng)風(fēng)電系統(tǒng)關(guān)鍵部件的運(yùn)行特性，進(jìn)而設(shè)計(jì)了模糊控制器，建立了模糊控制規(guī)則和仿真模型，并利用試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)空載并網(wǎng)過程發(fā)電機(jī)、調(diào)速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)分析。分析結(jié)果表明，在空載并網(wǎng)階段，發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率等基本與電網(wǎng)一致。模糊控制能夠較好地使機(jī)組在額定風(fēng)速以下保持最大風(fēng)能利用系數(shù)。該研究對(duì)差動(dòng)風(fēng)電機(jī)組的安全、高效并網(wǎng)具有借鑒作用。

1 差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電系統(tǒng)仿真建模與試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 仿真建模

差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、升速齒輪箱、2K-H型差動(dòng)齒輪箱、同步發(fā)電機(jī)和異步調(diào)速電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。2K-H差動(dòng)齒輪箱是實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪速度調(diào)節(jié)和發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速恒定的主要部件，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前的轉(zhuǎn)速控制和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速控制均通過調(diào)速電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。圖1是差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)框圖。圖1中：虛線箭頭為信號(hào)傳輸方向；實(shí)線箭頭為功率傳遞方向。

圖1 差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電控制系統(tǒng)框圖

風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制研究首先需要獲取其控制系統(tǒng)主要部件的運(yùn)行特性。各主要部件的運(yùn)行特性可通過仿真獲得。以往關(guān)于風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的仿真研究，主要是針對(duì)恒速或變速恒頻型風(fēng)電機(jī)組。本文所研究的差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組通過機(jī)械化轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)變速輸入恒速輸出，可采用輸出電能質(zhì)量相對(duì)較高的同步發(fā)電機(jī)。其在結(jié)構(gòu)方面與以往采用大功率變流器的可調(diào)速風(fēng)電機(jī)組存在較大差異，因此需要對(duì)機(jī)組關(guān)鍵部件進(jìn)行專門建模。1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)類型為同步發(fā)電機(jī)，調(diào)速電動(dòng)機(jī)類型為異步電動(dòng)機(jī)，參考數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參考數(shù)據(jù)

各模型構(gòu)建的具體情況及相應(yīng)的仿真驗(yàn)證結(jié)果簡(jiǎn)述如下。

1.1.1 風(fēng)速模型

為了較好地反映自然風(fēng)速的變化特征，選擇組合風(fēng)速模型作為風(fēng)電控制系統(tǒng)的風(fēng)速輸入。設(shè)定基本風(fēng)速為7 m/s，陣風(fēng)時(shí)間為第10 s至第35 s，仿真時(shí)間為50 s。 仿真結(jié)果表明，風(fēng)速模型可以較好地反映自然風(fēng)速的特性。

1.1.2 風(fēng)輪模型

額定風(fēng)速以下時(shí)最大風(fēng)能利用系數(shù)CP=f(λ),利用MATLAB擬合風(fēng)能利用系數(shù)CP與葉尖速比λ之間的關(guān)系曲線。當(dāng)葉尖速比為8時(shí)，可達(dá)到最大風(fēng)能利用系數(shù)0.44。在已知風(fēng)能利用系數(shù)后，可由此得到風(fēng)輪功率，進(jìn)而求得風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩。據(jù)此，可建立風(fēng)輪的Simulink仿真模型。

1.1.3 傳動(dòng)鏈模型

差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組的采用2K-H差動(dòng)輪系實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。為研究差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈特性，對(duì)2K-H差動(dòng)輪系各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系、調(diào)速電機(jī)的功率區(qū)間和傳動(dòng)鏈的三質(zhì)量塊模型進(jìn)行理論分析，并建立仿真模型。傳動(dòng)鏈三質(zhì)量塊模型如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)鏈三質(zhì)量塊模型

圖2中，各參數(shù)的關(guān)系為:

ωa=(1+r)ωh-rωb=(1+r)iωt-rωb

(1)

(2)

式中：r為差動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)參數(shù)；ωa為太陽輪的角速度；ωb為齒圈的角速度；ωh為行星架的角速度；ωt為風(fēng)輪的角速度；i為增速齒輪箱傳動(dòng)比。

經(jīng)推導(dǎo)，可得行星架的轉(zhuǎn)矩為：

(3)

最后，可得轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為:

(4)

(5)

式中：c為主軸阻尼系數(shù)；k為主軸剛度系數(shù)；Jt為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ja為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jh為行星架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jb為齒圈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ta為太陽輪的轉(zhuǎn)矩；Tb為齒圈的轉(zhuǎn)矩；Th為行星架的轉(zhuǎn)矩；Tt為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)以上理論分析，可建立差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈仿真模型。

1.1.4 同步發(fā)電機(jī)模型

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的有關(guān)數(shù)學(xué)模型和理論分析，在Simulink中建立同步發(fā)電機(jī)仿真模型。發(fā)電機(jī)參數(shù)設(shè)置為：額定電壓690 V，極對(duì)數(shù)2對(duì)，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

1.1.5 調(diào)速電動(dòng)機(jī)模型及其轉(zhuǎn)速控制方法

調(diào)速電動(dòng)機(jī)的控制目標(biāo)是：①在機(jī)組并網(wǎng)前，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速要求;②在機(jī)組并網(wǎng)后，控制風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速以獲取最大功率。在差動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中使用異步電動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)較為平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。而對(duì)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，本質(zhì)是對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。由于風(fēng)速大小的隨機(jī)性，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速須不斷調(diào)整，且傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程將導(dǎo)致顯著的電機(jī)負(fù)載變化。因此，選用轉(zhuǎn)差頻率控制方法較為合理。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)和控制原理，設(shè)計(jì)了差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)主要由2個(gè)伺服電機(jī)、1個(gè)2K-H差動(dòng)齒輪箱、2個(gè)扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器、1個(gè)同步發(fā)電機(jī)、1臺(tái)控制主機(jī)及控制系統(tǒng)相關(guān)軟硬件組成。

2 典型工況下差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組控制策略

2.1 空載并網(wǎng)控制

空載并網(wǎng)過程簡(jiǎn)單、高效、可靠性較高，通常要求電機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)的電壓、角頻率和相位三個(gè)值接近，即電壓偏差不超過5%、頻率偏差不超過0.2 Hz、相角差不超過5°。滿足上述參數(shù)要求，即可實(shí)現(xiàn)空載并網(wǎng)。

2.2 額定風(fēng)速以下機(jī)組控制

2.2.1 基于模糊控制方法的最大功率追蹤

機(jī)組并網(wǎng)后，額定風(fēng)速以下的控制目標(biāo)是使風(fēng)輪保持最大風(fēng)功率時(shí)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速。為了使差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)額定風(fēng)速下最大功率追蹤運(yùn)行，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速須根據(jù)運(yùn)行情況而實(shí)時(shí)變化。而風(fēng)輪轉(zhuǎn)速是通過調(diào)速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整實(shí)現(xiàn)的，因此，最大功率追蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速的有效控制。為此，引入了模糊控制方法，并基于最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法開展模糊控制器設(shè)計(jì)。

2.2.2 模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模糊化是指把輸入的清晰值映射成模糊子集及其隸屬函數(shù)的變換過程，清晰化是指把模糊量變換成清晰量的過程。考慮控制器輸入、輸出量，差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組最大功率追蹤模糊控制器可以采用雙輸入、單輸出的設(shè)計(jì)，以滿足控制需求。通過轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)出風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的比值，然后與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速最優(yōu)比值K進(jìn)行比較，得到K值偏差及K值偏差的變化速率。K值偏差和K值偏差的變化速率作為模糊控制器的輸入量，控制器根據(jù)控制規(guī)則選定經(jīng)調(diào)節(jié)后的速度輸出。最大功率追蹤二維模糊控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3中：輸入量en表示第n時(shí)刻與第(n-1)時(shí)刻的K值偏差; 輸入量ecn表示第n時(shí)刻與第(n-1)時(shí)刻的K值偏差變化率; 輸出量Un表示第n時(shí)刻調(diào)速轉(zhuǎn)速變化的實(shí)際值。

圖3 最大功率追蹤二維模糊控制系統(tǒng)

2.2.3 模糊控制器的參數(shù)定義

(1)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速比確定。

風(fēng)速的測(cè)量存在一定不確定性，往往難以建立風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)速之間的準(zhǔn)確關(guān)系。為了消除風(fēng)速對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的直接影響，可通過修改功率表達(dá)式，以變量替換消除功率公式中的風(fēng)速變量[12]。

(6)

式中:Popt為最大風(fēng)功率；CPmax為最大風(fēng)能利用系數(shù)；R為風(fēng)輪半徑；v為風(fēng)速；λopt為最優(yōu)葉尖速比；ρ為空氣密度。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大風(fēng)能利用系數(shù)CPmax和最優(yōu)葉尖速比λopt求出Popt，再用角速度ω替換風(fēng)速v，經(jīng)推導(dǎo)得出：

(7)

(8)

式中:Topt為最大風(fēng)能利用系數(shù)下的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩；Kopt為最優(yōu)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速比。

從式(7)可以看出，當(dāng)風(fēng)輪達(dá)到最大風(fēng)能利用系數(shù)時(shí)，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪的角速度的平方成正比。由此可以得出：在空氣密度不變的條件下，只需控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速平方之間的比值，就可以達(dá)到最優(yōu)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速比，即風(fēng)輪達(dá)到最大風(fēng)能利用系數(shù)。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，將機(jī)組的已知參數(shù)CPmax、ρ、R、λopt代入式(8)中，可以得出Kopt=1.923×105。通過測(cè)得風(fēng)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，可以得到實(shí)際的K值。實(shí)際的K值與Kopt值之差即為模糊控制器K值偏差輸入量。

(2)隸屬函數(shù)的確定。

①根據(jù)K值偏差選定7個(gè)模糊子集，即：正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)、負(fù)大(NB)，用于涵蓋輸入量的取值范圍為(-6，+6)。

②根據(jù)K值偏差變化速率選定5個(gè)模糊子集，即正大(PB)、正小(PS)、零(ZO)、負(fù)小(NS)、負(fù)大(NB)，用于涵蓋輸入量的取值范圍為(-6，+6)。

③輸出量的論域?yàn)?-6，+6)，分別是：正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)、負(fù)大(NB)。

(3)控制器模糊規(guī)則的建立。

采用Mamdani Min-Max方法,并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出以下5條基本模糊規(guī)則。

①如K值偏差為正，則快速增大調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

②如K值偏差為負(fù)，快速減小調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

③如K值為最優(yōu)，則調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變。

④如K值為最優(yōu)且K值偏差變化率為正，緩慢增大調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

⑤如K值為最優(yōu)且K值偏差變化率為負(fù)，則緩慢減小調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

(4)模糊量輸出值及其清晰化。

模糊規(guī)則在某一輸入量下并不一定全部被激活。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，利用近似推理的方法計(jì)算模糊量輸出值。設(shè)在某一時(shí)刻測(cè)得輸入量為e=-2、ec=2，根據(jù)K值偏差輸入量隸屬函數(shù)分布,可知清晰量e=-2模糊化后映射到的模糊子集NM和NS上；根據(jù)K值偏差變化率輸入量隸屬函數(shù)分布,可知清晰量ec=2模糊化后映射到ec的模糊子集NB和NM上。從上述模糊規(guī)則表可知，此時(shí)會(huì)使用有4條模糊規(guī)則。這4條模糊規(guī)則如下。

①ifeNM andecis ZO thenuis NM(1)。

②ifeNM andecis PS thenuis NS(2)。

③ifeNS andecis ZO thenuis NS(3)。

④ifeNS andecis PS thenuis ZO(4)。

根據(jù)控制測(cè)得每個(gè)輸出模糊子集后，可以得到總輸出。推理輸出的模糊子集如圖4所示。

圖4 推理輸出的模糊子集

由圖4可以看出，總輸出是一個(gè)模糊子集，它的隸屬函數(shù)是一個(gè)在(-6，2)的不規(guī)則形狀。后續(xù)可用最大隸屬度法對(duì)模糊量進(jìn)行清晰化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

3 仿真與試驗(yàn)分析

3.1 仿真分析

3.1.1 調(diào)速電動(dòng)機(jī)基本運(yùn)行特性仿真分析

針對(duì)調(diào)速電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性開展仿真分析，設(shè)置仿真時(shí)間為5 s，采樣時(shí)間為0.000 01 s，仿真算法為ode5，調(diào)速電動(dòng)機(jī)及風(fēng)輪初始轉(zhuǎn)速為0 r/min。調(diào)速電動(dòng)機(jī)基本運(yùn)行特性仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 調(diào)速電動(dòng)機(jī)基本運(yùn)行特性仿真結(jié)果

①由圖5 (a)可知，轉(zhuǎn)速的變化基本是一個(gè)線性過程。在0～3.5 s的時(shí)間區(qū)間，調(diào)速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)逐漸升高轉(zhuǎn)速; 在3.5 s時(shí)發(fā)電機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨即穩(wěn)定在500 r/min。

②由圖5(b)可知，調(diào)速電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)后出現(xiàn)約為1.4 kN·m的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩最大值，提速過程中電磁轉(zhuǎn)矩的變化幅度并不大，主要在0.6～1 kN·m的范圍內(nèi)波動(dòng)，表明提速過程運(yùn)行比較平穩(wěn)。接近3.5 s時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩迅速降至0 kN·m。從3.5 s開始，由于抵消傳動(dòng)運(yùn)行過程的能量損失，因此電磁轉(zhuǎn)矩很小。

③由圖5 (c)可知，在0～3.5 s的時(shí)間區(qū)間，定子電流值隨著調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升而緩慢升高，電流頻率也逐漸升高，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后定子電流值隨之迅速降低。

3.1.2 機(jī)組最大功率追蹤運(yùn)行特性仿真分析

風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速直接影響機(jī)組捕獲風(fēng)能的能力。差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電系統(tǒng)仿真結(jié)果

以固定變化速率的漸變風(fēng)風(fēng)速模型作為輸入風(fēng)速，得到如圖6(a)所示的風(fēng)輪運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在6 r/min以下時(shí)，轉(zhuǎn)矩為零。此時(shí)風(fēng)輪處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，發(fā)電機(jī)沒有并網(wǎng)。當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到6 r/min以上時(shí)，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。此時(shí)，風(fēng)輪需要克服發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的反作用力。隨著風(fēng)速增大風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也不斷提升，轉(zhuǎn)矩同步升高；在組合風(fēng)速模型的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)輪最大功率追蹤運(yùn)行過程轉(zhuǎn)速的變化情況進(jìn)行仿真，得到風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化曲線，如圖6(b)所示。圖6(c)所示為調(diào)速電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果，調(diào)速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化方向基本一致，符合差動(dòng)調(diào)速機(jī)構(gòu)構(gòu)件的運(yùn)行特點(diǎn)。對(duì)差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電系統(tǒng)最大功率追蹤過程的穩(wěn)態(tài)特性分析仿真結(jié)果如圖6(d)所示，實(shí)際輸出功率在風(fēng)速較高時(shí)與理論輸出功率基本吻合，實(shí)現(xiàn)了較好的最大功率追蹤效果。風(fēng)能利用系數(shù)的變化如圖6(e)所示。在額定風(fēng)速以下，系統(tǒng)能夠保持最大風(fēng)能利用系數(shù)。達(dá)到額定功率后，隨著風(fēng)速繼續(xù)增加，風(fēng)能利用系數(shù)快速下降。

3.2 試驗(yàn)臺(tái)并網(wǎng)控制試驗(yàn)分析

3.2.1 試驗(yàn)臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速分析

利用差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前的運(yùn)行情況進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)前運(yùn)行轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。

圖7 發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)前運(yùn)行轉(zhuǎn)速曲線

3.2.2 空載并網(wǎng)試驗(yàn)發(fā)電機(jī)輸出電壓分析

為了直觀地觀察發(fā)電機(jī)輸出的電能情況，在發(fā)電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)分別連接示波器，以測(cè)量發(fā)電機(jī)輸出電壓波形。根據(jù)具體試驗(yàn)情況，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前運(yùn)行較為平穩(wěn)，在某一時(shí)刻發(fā)電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的電壓波形基本重合，發(fā)電機(jī)輸出電壓波形與電網(wǎng)電壓波形非常接近，二者的頻率、相位和電壓幅值基本一致。由此證明，此時(shí)發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況良好，運(yùn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定已基本具備并網(wǎng)條件。

4 結(jié)束語

針對(duì)差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組，建立了風(fēng)輪、傳動(dòng)鏈、調(diào)速電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的仿真模型，并對(duì)調(diào)速電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性開展仿真分析。仿真結(jié)果表明：調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)線性變化特點(diǎn)，在3.5 s時(shí)發(fā)電機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨即穩(wěn)定在500 r/min；調(diào)速電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)出現(xiàn)瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩最大值后，在后續(xù)的提速過程中主要在0.6～1 kN·m的范圍內(nèi)波動(dòng)，變化幅度較小，表明提速過程運(yùn)行比較平穩(wěn)；定子電流值在0～3.5 s的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，隨著調(diào)速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升而緩慢升高，在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后隨之迅速降低。針對(duì)所設(shè)計(jì)的差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電控制系統(tǒng)，在組合風(fēng)速模型的基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)輪最大功率追蹤運(yùn)行過程中風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化情況進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：仿真開始前5 s左右，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速逐漸升高，風(fēng)輪逐漸逼近最大風(fēng)能利用系數(shù)；隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速逐漸提高而達(dá)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的變化趨勢(shì)基本相同。實(shí)際輸出功率在風(fēng)速較高時(shí)與理論輸出功率基本吻合，實(shí)現(xiàn)了較好的最大功率追蹤效果。較之額定風(fēng)速以上的情形，在額定風(fēng)速以下，系統(tǒng)能夠更好地保持最大風(fēng)能利用系數(shù)。針對(duì)差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制開展試驗(yàn)研究。

研究結(jié)果表明：發(fā)電機(jī)在3.5 s左右時(shí)，其轉(zhuǎn)速達(dá)到額定運(yùn)行轉(zhuǎn)速后基本保持在300 r/min，證明了試驗(yàn)臺(tái)發(fā)電機(jī)能夠保持恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行；通過試驗(yàn)輸出的差動(dòng)調(diào)速型風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及發(fā)電機(jī)輸出頻率、電壓等參數(shù)顯示，各參數(shù)基本與電網(wǎng)一致，符合并網(wǎng)要求，取得了較為滿意的效果，從而驗(yàn)證了模糊控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)空載并網(wǎng)的有效性。