雙饋異步風(fēng)力機(jī)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空載并網(wǎng)控制

王嘉良

(河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100 )

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球上可開發(fā)利用的風(fēng)能大約為2×107MW，從20世紀(jì)初開始，國(guó)際社會(huì)不斷注重風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展[1]。隨著近20年的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的單機(jī)容量不斷增大，主流機(jī)型逐漸發(fā)展為兆瓦級(jí)機(jī)組，在并網(wǎng)過程中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全問題、對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的電流沖擊問題以及電能質(zhì)量問題引起研究人員的重視[2]。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于使用的功率變流器較小，降低了成本，而且控制性能較高，因此成為風(fēng)力發(fā)電中的一種主流機(jī)型。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有空載并網(wǎng)、獨(dú)立負(fù)載并網(wǎng)和孤島并網(wǎng)3種并網(wǎng)方式，其中空載并網(wǎng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且控制性能好，因此應(yīng)用最為廣泛[3]。

文獻(xiàn)[4]通過分析交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)，研究了矢量并網(wǎng)控制技術(shù)，提出了基于定子磁鏈定向的空載并網(wǎng)策略，減小了并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流，但是對(duì)模型參數(shù)的要求比較高。文獻(xiàn)[5]將電網(wǎng)電壓定向矢量控制應(yīng)用于空載并網(wǎng)策略中，該控制策略將定子磁鏈的檢測(cè)省去，減小了檢測(cè)誤差，降低了電網(wǎng)沖擊。文獻(xiàn)[6]將高階滑模控制應(yīng)用于電網(wǎng)電壓定向的空載并網(wǎng)控制策略，消除控制量中的抖振，增強(qiáng)了魯棒性，更有利于實(shí)現(xiàn)無沖擊電流的快速并網(wǎng)。文獻(xiàn)[7]在雙饋異步發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，介紹了一種自并網(wǎng)算法，并通過自主研制的試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)。文獻(xiàn)[8-10]分別利用變結(jié)構(gòu)控制與全狀態(tài)反饋線性化結(jié)合的控制策略[8]、模糊控制[9]和積分滑模控制[10]實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)，且在并網(wǎng)后能夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能追蹤以及有功功率與無功功率的解耦控制。文獻(xiàn)[11]采用“空載-并網(wǎng)”兩階段控制的方案，實(shí)現(xiàn)“空載”和“并網(wǎng)”兩個(gè)工作狀態(tài)的平滑轉(zhuǎn)移，并網(wǎng)過程中對(duì)電網(wǎng)電壓的跟蹤能力強(qiáng)，沖擊電流小，并網(wǎng)后能夠?qū)崿F(xiàn)功率的解耦控制和最大風(fēng)能追蹤。

本文建立了雙饋異步發(fā)電機(jī)(doubly-fed induction generator, DFIG)同步坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，對(duì)空載并網(wǎng)的原理進(jìn)行分析，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)整PID控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)電流對(duì)定子側(cè)電壓的有效最優(yōu)控制，并建立仿真模型，通過仿真結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了所用控制方法的合理性和有效性。

1 雙饋異步發(fā)電機(jī)空載數(shù)學(xué)模型

1.1 同步坐標(biāo)系下DFIG的數(shù)學(xué)模型：

本文中雙饋異步發(fā)電機(jī)采用電動(dòng)機(jī)慣例。假設(shè)異步發(fā)電機(jī)具有三相平衡對(duì)稱結(jié)構(gòu)、定子和轉(zhuǎn)子鐵芯與鐵損耗為線性關(guān)系，其數(shù)學(xué)模型為：

1)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程分別為：

(1)

式中：vds、vqs、vdr、vqr分別是定子和轉(zhuǎn)子在dq軸上的電壓分量；Rs、Rr分別是定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻；ids、iqs、idr、iqr分別為定子和轉(zhuǎn)子在dq軸上的電流分量；ψds、ψqs、ψdr、ψqr分別為定子、轉(zhuǎn)子在dq軸上的磁鏈分量；ωr、ω1分別為轉(zhuǎn)子角速度和同步角速度；p為微分算子，p=d/dt。

2)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)磁鏈方程分別為：

(2)

式中：Lm為勵(lì)磁電感；Ls、Lr分別為定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感。

3)運(yùn)動(dòng)方程為：

(3)

式中：Tm、Te分別為發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

4)轉(zhuǎn)矩方程為：

(4)

式中np為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)。

1.2 空載并網(wǎng)數(shù)學(xué)模型

當(dāng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電壓的幅值、頻率和相位與電網(wǎng)電壓的幅值、頻率以及相位一致時(shí)，滿足并網(wǎng)要求，在并網(wǎng)前后通過采用定子磁鏈定向矢量控制策略來實(shí)現(xiàn)控制要求。采用發(fā)電機(jī)定子磁鏈定向，且忽略定子電阻，將定子磁鏈定向在d軸上，則磁鏈方程為：

(5)

由式(5)得定子電流為：

(6)

將式(5)和式(6)代入式(1)得：

(7)

當(dāng)雙饋異步發(fā)電機(jī)在空載運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，定子電流為0，即ids=iqs=0，電壓方程和磁鏈方程簡(jiǎn)化為:

(8)

式中ωs=ω1-ωr，為轉(zhuǎn)差角速度。

(9)

由于定子電阻與定子電感相比很小，因此通常可以忽略，在定子磁鏈定向的情況下，磁鏈方程為：

(10)

在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的空載并網(wǎng)控制中，電磁轉(zhuǎn)矩為0，不考慮變槳距控制，機(jī)械模塊僅輸入風(fēng)速V。根據(jù)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率和機(jī)械轉(zhuǎn)矩可得發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速[12]：

(11)

式中：ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；np為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID空載并網(wǎng)控制

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)典的PID控制構(gòu)成，本文采用3層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[13]，選取Sigmoid函數(shù)為活化函數(shù)，被控對(duì)象由PID控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，PID控制器的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過自學(xué)習(xí)和調(diào)整加權(quán)系數(shù)的方式進(jìn)行在線調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)定狀態(tài)下系統(tǒng)最優(yōu)控制的目的。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID結(jié)構(gòu)圖

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制框圖

3 仿真分析

本文在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建了雙饋異步發(fā)電機(jī)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID空載并網(wǎng)仿真模型(圖3)，并與普通PID控制進(jìn)行比較分析，以驗(yàn)證本文使用的并網(wǎng)控制策略的有效性。雙饋異步發(fā)電機(jī)的參數(shù)如下：額定功率為1.5 MW，額定電壓為690 V，額定風(fēng)速為12 m/s，輸入風(fēng)速為7 m/s，風(fēng)輪半徑為31 m，空氣密度為1.225 kg/m3，風(fēng)能利用系數(shù)為0.48，發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)為2，定子電阻為2.65 MΩ，定子漏感為0.168 7 MH，轉(zhuǎn)子電阻為2.63 MΩ，轉(zhuǎn)子漏感為0.133 7 MH，勵(lì)磁電感為5.474 9 MH。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空載仿真

在理想狀態(tài)下，對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真模擬。圖4為電網(wǎng)電壓曲線圖，圖5為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制策略下定子側(cè)電壓曲線圖，圖6為普通PID控制策略下定子側(cè)電壓曲線圖，圖7為兩種控制策略下電壓誤差曲線圖，圖8為兩種控制策略下轉(zhuǎn)子電流d軸分量曲線圖，圖9為電網(wǎng)發(fā)生短暫波動(dòng)時(shí)的電壓曲線，圖10為電壓波動(dòng)狀況下的電壓誤差曲線圖。

圖4-圖6是在空載運(yùn)行狀態(tài)下，兩種控制方式下電網(wǎng)電壓和定子側(cè)電壓的仿真曲線圖。從圖5-圖6可見，定子側(cè)電壓從波動(dòng)狀態(tài)快速變換到與電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位一致的穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到并網(wǎng)要求。

圖4 電網(wǎng)電壓曲線

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制定子側(cè)電壓曲線

圖6 PID控制定子側(cè)電壓曲線

圖7為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制與普通PID控制空載并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)定子電壓與電網(wǎng)電壓誤差的輸出曲線，由圖可見BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制策略的電壓誤差更小，電壓波動(dòng)的時(shí)間更短，達(dá)到并網(wǎng)要求的速度更快。在0.08 s時(shí)，電壓誤差值為0，此時(shí)滿足并網(wǎng)要求，完成并網(wǎng)。

圖7 電壓誤差曲線

圖8為兩種控制策略的轉(zhuǎn)子電流d軸分量的曲線圖。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制策略中，轉(zhuǎn)子電流在0.08 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，普通PID控制策略在0.18 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；在滿足空載并網(wǎng)要求的基礎(chǔ)上，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的效果明顯優(yōu)于普通PID控制，電壓波動(dòng)更小，較短的時(shí)間即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的控制效率。

圖8 轉(zhuǎn)子電流曲線

電網(wǎng)電壓發(fā)生如圖9所示的短暫波動(dòng)，圖10表示了兩種控制策略的電壓誤差曲線，從誤差曲線圖可知，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制策略在電網(wǎng)波動(dòng)情況下對(duì)電網(wǎng)電壓的追蹤效果仍然良好，精度更高；而普通PID控制策略對(duì)電網(wǎng)電壓的跟蹤效果較差，電壓誤差波動(dòng)較大，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間更長(zhǎng)。

圖9 短暫波動(dòng)時(shí)的電網(wǎng)電壓曲線

圖10 電壓波動(dòng)狀況下的電壓誤差曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文在雙饋異步發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，構(gòu)建了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID空載并網(wǎng)控制。研究表明，在該控制策略下，定子電壓對(duì)電網(wǎng)電壓的追蹤效果較好，電壓誤差快速趨近于0，控制效果相比普通PID控制更優(yōu)，是一種優(yōu)良的并網(wǎng)控制策略。