雙饋風力發電系統最大風能捕獲控制策略仿真

劉忠好，劉忠仁，曾 旭

（國網湖南省電力有限公司水電分公司，湖南 長沙410004）

1 引言

我國的風能資源十分豐富，因此大規模發展風力發電技術對解決我國能源緊缺和保護生態環境意義重大。變速恒頻雙饋風力發電系統主要由風力機，雙饋異步電機，轉子側和網側變流器構成，具有較低的電流畸變率，系統功率因數可調，能運行于次同步狀態和超同步狀態[1-2]。隨著風力發電相關技術的迅速發展，雙饋風力發電機對電網可以起到無功補償的作用[3-4]，提高系統的穩定性。

目前眾多文獻研究了雙饋風電機最大風能追蹤的控制策略，都基于風速測量基礎之上[5]。但實際上，要想在風到達槳葉之前就準確地測出風速是十分困難的。為了實現直接速度控制策略，文中提出了運用轉矩觀測器來預測風力發電機組機械傳動轉矩的控制技術，解決了對風速的測量問題。并通過仿真計算驗證了該控制方法的正確性和可行性。

2 風能捕獲原理

風機捕獲功率為：

ρ：空氣密度 kg/m3；

R：葉輪半徑m；

Vwind：風速 m/s；

CP：風能利用系數，為葉尖速比λ和槳距角β的函數。

在低于額定風速時，控制發電機轉子轉速使λ維持在最優λopt，從而獲得相應風速下最大風能，此時槳距角β一般保持在0°；在高于額定風速時，控制槳距角β，使捕獲的最大風能保持恒定。

3 雙饋風力發電系統數學模型

3.1 雙饋電機數學模型

定子側采用發電機慣例，轉子側采用電動機慣例，則電壓方程和磁鏈方程在d-q軸坐標系下為：

3.2 轉子側變頻器控制原理

這一側的控制采用定子磁鏈定向。令ψsd=ψs，有ψsq=0；Usd=0；Usq=Us。定子側發出的有功功率，無功功率分別為：

從而通過控制轉子電流實現了定子側有功無功的解耦。

為實現最大風能追蹤，定子側輸出有功由轉子最優轉速來確定，從而的值可由圖1得到：

圖1 轉子電流q軸分量給定

而的值由圖2可得：

圖2 轉子電流d軸分量給定

由電壓方程和磁鏈方程得到：

控制轉子側變流器的電壓信號的d、q軸分量

可由圖3、圖4得到：

圖3 轉子側變流器控制電壓q軸分量給定

圖4 轉子側變流器控制電壓d軸分量給定

整個轉子側變流器的控制框圖如圖5。

圖5 轉子側變流器控制框圖

3.3 網側變頻器控制原理

這一側的控制采用網側電壓定向。令Ugd=Ug，則Ugq=0。網側變流器主要實現直流母線電壓穩定并對網側輸出的無功功率進行控制。從而的值可由圖6得到：

圖6 網側電流d軸分量給定

令的值等于0，使網側與電網間不存在無功交換。

將PWM變流器在三相靜止對稱坐標系下的數學模型轉換到和電網基波頻率同步旋轉的d-q坐標系中，有：

可以寫成：

其中Lf，Rf是網側變流器與定子間接口阻抗的等值電感和等值電阻。令：

控制網側變流器的電壓信號的d、q軸分量可由圖7、圖8得到：

圖7 網側變流器控制電壓d軸分量給定

圖8 網側變流器控制電壓q軸分量給定

整個轉子側變流器的控制框圖如圖9。

圖9 網側變流器控制框圖

4 最大風能追蹤

在額定風速下，風力發電機組控制系統的主要任務是通過對轉速的控制來追蹤最佳Cp曲線以獲得最大能量。通常對轉速的控制是通過對發電機轉矩的控制來實現。

在這種直接速度控制方案下，可以通過測量風速Vwind，從風力發電機組的功率特性得到λopt，從而推算出發電機所需的最佳速度。最佳轉速可根據下式確定：

式中：Tm是驅動風力機的機械轉矩，Kopt是具有最佳Cp值的比例系數

由式（1）可以得到Kopt的表達式為：

式中：Cpmax是最佳Cp值，λopt是對應于Cpmax的最佳葉尖速比，H是齒輪箱變速比。

5 仿真分析

仿真電機采用6極繞線式異步電機，額定功率7.5 kW，額定頻率50 Hz，額定電壓220 V，同步轉速104.7 rad/s。

當初始風速為6 m/s時，由式（18），理論上對應的最佳轉速為：

根據式（1），對應最大風力機輸出功率理論值為1 272 W。

前1.5 s，由仿真波形圖10可以看出，雙饋電機穩定運行在80.2 rad/s附近，工作在亞同步速狀態。由仿真波形圖11可以看出，定子側輸出到電網功率為1 585 W，由圖12可以看出，轉子側從電網饋入功率460 W，故電機凈輸出功率為1 125 W，加上定轉子銅耗，基本與風力機輸出功率理論值吻合。

1.5 s之后，風速上升到 9 m/s，由式（18），理論上對應的最佳轉速為：

根據式（1），對應最大風力機輸出功率理論值為4 294 W。

由仿真波形圖10可以看出，1.5 s后雙饋電機穩定運行在120.3 rad/s附近，工作在超同步速狀態。從仿真波形圖11可以看出，定子側輸出到電網功率為3 530 W，轉子側向電網饋入功率450 W，故電機凈輸出功率3 980 W，加上定轉子銅耗，基本與風力機輸出功率理論值吻合。

圖10 轉子轉速隨風速變化圖

圖11 定子側有功功率輸出

圖12 轉子側有功功率輸出

圖13 電磁轉矩變化圖

當轉速隨著風速的增大而升高時，定轉子a相電流的變化情況如圖14所示，定子a相電流頻率不變而幅值增大。轉子a相電流的變化情況如圖15所示，轉子a相電流幅值增大而頻率減小。

圖14 定子a相電流變化圖

圖15 轉子a相電流變化圖

6 結論

定子側采用發電機慣例，為正表示輸出功率到電網，為負表示從電網饋入功率；轉子側采用電動機慣例，為正表示從電網饋入功率，為負表示輸出功率到電網。通過次同步速與超同步速兩種情況下的仿真分析，證明了所提控制策略的可行性，準確地實現了最大風能捕獲的曲線追蹤。