高 揚(yáng)，于會(huì)群，張 浩，彭道剛

0 引言

風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源，近年來越來越受到各國(guó)的重視。風(fēng)力發(fā)電由于具有零污染、投資周期短、占地少等優(yōu)點(diǎn)，故裝機(jī)速度近年來迅速提升。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)，目前有變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)、定槳距失速調(diào)節(jié)技術(shù)、主動(dòng)失速調(diào)節(jié)技術(shù)、變速恒頻技術(shù)4 種［1～13］。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，因其具有風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率較高、可靈活調(diào)節(jié)有功和無功等特點(diǎn)，近年來得到了廣泛應(yīng)用。本文就其控制策略建立模型并仿真，力求得出具有指導(dǎo)意義的理論結(jié)果。

1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本原理

目前，國(guó)內(nèi)外已建或新建的大型風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組多采用變速恒頻(Variable Speed Constant Frequency，VSCF)風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行方式。當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，VSCF 風(fēng)電系統(tǒng)可適時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之保持最佳狀態(tài)，使風(fēng)能利用系數(shù)Cp接近或達(dá)到最佳，可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能最大限度地捕獲。與恒速恒頻(Constant Speed Constant Frequency，CSCF)風(fēng)電系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的發(fā)電效率大為提高，轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍也較寬，而且可靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和無功。

交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、增速箱、雙饋異步發(fā)電機(jī)、變壓器、雙PWM 變頻器、濾波器、控制系統(tǒng)、槳距角控制等幾部分構(gòu)成。由交流異步發(fā)電機(jī)的基本原理可得下列關(guān)系:

式中:fs為定子電流頻率，Hz;n 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min;p 為電機(jī)極對(duì)數(shù);fr為轉(zhuǎn)子電流頻率，Hz。

圖1 雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

雙饋發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)結(jié)構(gòu)相類似，運(yùn)行時(shí)定子繞組通過變壓器與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子則通過雙PWM 變頻器和變壓器與電網(wǎng)相連接。設(shè)定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步速為ns，根據(jù)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，雙饋發(fā)電機(jī)可有以下3 種運(yùn)行狀態(tài):當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n ＜ns時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組相序和定子繞組的相序相同，雙PWM 變頻器向轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁電流，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也相同，fr前取正號(hào)，定子向電網(wǎng)發(fā)出電能;當(dāng)n ＞ns時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組相序和定子繞組的相序相反，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也相反，fr前取負(fù)號(hào)，同時(shí)由定子和轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)發(fā)出電能，能量在雙PWM 變頻器中逆向流動(dòng);當(dāng)n =ns時(shí)，fr=0，變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)作同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行，定子向電網(wǎng)發(fā)出電能。由以上分析可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n 伴隨著風(fēng)速的改變而變化時(shí)，若通過變頻器隨時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值、頻率、相位，使發(fā)電機(jī)能在亞同步速、同步速、超同步速作變速恒頻運(yùn)行，這就是發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行的基本原理［1，14～15］。

2 交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率特性及其風(fēng)能捕獲策略

2.1 功率特性

交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率為［2］:

式中:ρ 為風(fēng)力機(jī)所在處的空氣密度;R 為風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪半徑;Cp為風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)換效率，即風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù);λ 為葉片頂端的速度(圓周速度)除以風(fēng)接觸葉片之前很遠(yuǎn)距離上的速度，即葉尖速比;β 為風(fēng)機(jī)葉片與風(fēng)輪平面的夾角，即槳距角;v 為即時(shí)風(fēng)速;n 為風(fēng)力機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速。當(dāng)槳距角固定時(shí)，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp與葉尖速比λ 的關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖2 葉尖速比λ與風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp 關(guān)系曲線

設(shè)定一種風(fēng)速，然后取不同的轉(zhuǎn)速n，根據(jù)式(3)計(jì)算出相應(yīng)的葉尖速比λ，由圖2 找到對(duì)應(yīng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp值，根據(jù)公式(2)，就可得到這種風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率。以風(fēng)力機(jī)的機(jī)械角速度ωm為橫軸，輸出的機(jī)械功率Pm為縱軸，得到如圖3 所示的關(guān)系曲線。改變風(fēng)速，得到的風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速v 時(shí)輸出的機(jī)械功率Pm和風(fēng)力機(jī)機(jī)械角速度ωm的關(guān)系如圖3 所示［2～3］。

圖3 風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率和機(jī)械角速度關(guān)系曲線

圖3 中A，B，C 3 點(diǎn)分別為風(fēng)速v1，v2，v3時(shí)風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率Pm的最大點(diǎn)，其中v1＜v2＜v3。由圖3 可以看出: (1)在相同的機(jī)械角速度ωm下，瞬時(shí)風(fēng)速v 越大，風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率Pm也就越大;(2)在相同的瞬時(shí)風(fēng)速v 下，風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率Pm在某一特定的機(jī)械角速度ωm下存在著極大值;(3)增大瞬時(shí)風(fēng)速v，風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率Pm的最大值所對(duì)應(yīng)的機(jī)械角速度ωm也隨之增大［4］。

2.2 最優(yōu)風(fēng)能捕獲策略

風(fēng)速v 為定值時(shí)，由圖3 可以看出，此時(shí)存在著唯一的最大機(jī)械功率輸出點(diǎn)，相應(yīng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp也最大。但實(shí)際風(fēng)速是經(jīng)常變化的、隨機(jī)的，且規(guī)律性很差。當(dāng)實(shí)際風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)按照?qǐng)D2 所示的某一固定的槳距角β運(yùn)行，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)反轉(zhuǎn)矩使其機(jī)械角速度ωm跟隨風(fēng)速v 的變化而變化，保持發(fā)電機(jī)在最佳的葉尖速比λ 下運(yùn)行，輸出機(jī)械功率最大，從而追蹤最優(yōu)的功率曲線，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲。當(dāng)實(shí)際風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，采取改變風(fēng)力機(jī)機(jī)械角速度ωm與改變槳距角β 的雙重調(diào)節(jié)，依靠機(jī)械調(diào)節(jié)槳距角β，改變風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率Cp，限制風(fēng)力機(jī)獲得的能量，使風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率得到控制，從而保證發(fā)電機(jī)功率輸出的穩(wěn)定性，風(fēng)電機(jī)組就不會(huì)超出轉(zhuǎn)速極限和功率極限運(yùn)行，從而保護(hù)風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)不受損壞［5～6，14］。

2.3 變槳控制

在風(fēng)速低于額定風(fēng)速情況下，槳距角設(shè)定為0°，保持恒定的最佳葉尖速比，從而實(shí)時(shí)追蹤最佳功率曲線;當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，增大槳距角，失速調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)保持額定功率輸出。

3 雙饋電機(jī)變換器的控制系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)側(cè)PWM 變換器控制策略

網(wǎng)側(cè)PWM 變換器控制策略如圖4 所示［9～12］。

本系統(tǒng)采用雙環(huán)控制，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，并在定子繞組上建立靜止坐標(biāo)系a1－b1，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d －q;同時(shí)設(shè)q 為定子繞組上靜止坐標(biāo)系α1軸與d 軸的夾角;ea，eb，ec為網(wǎng)側(cè)PWM 變換器交流側(cè)的三相電壓;id，iq是網(wǎng)側(cè)三相電流ia，ib，ic經(jīng)派克變換得到的兩個(gè)分量;L，R 分別為交流側(cè)進(jìn)線的電感和電阻。

圖4 網(wǎng)側(cè)變換器控制策略圖

在進(jìn)行單位功率因數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，設(shè)iq=0，由功率因數(shù)所決定;和分別為電壓分量，為解耦項(xiàng);Δud和Δuq分別為d，q 軸電壓耦合補(bǔ)償項(xiàng);電流反饋值id，iq分別與，相比較，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)，輸出電壓，，再與電壓的解耦補(bǔ)償項(xiàng)Δud，Δuq，及前饋補(bǔ)償項(xiàng)ed，eq進(jìn)行運(yùn)算，得到的，作為指令電壓;指令電壓，再經(jīng)坐標(biāo)變換，得到a－b 坐標(biāo)系中的電壓分量，，然后輸入到網(wǎng)側(cè)變流器，進(jìn)行PWM 調(diào)制，從而產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行控制［7～8］。

在這里引入電網(wǎng)電壓ed和eq進(jìn)行前饋補(bǔ)償?shù)哪康?，是為了?shí)現(xiàn)d 軸和q 軸電流的解耦控制，從而可以對(duì)無功功率和有功功率進(jìn)行有效的獨(dú)立控制。原理式如下:

3.2 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM 變換器控制策略

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在變速恒頻方式下運(yùn)行時(shí)，矢量控制需要選取的定向參考矢量較多，最常見的是定子磁鏈定向與定子電壓定向［13～15］。本文采取定子磁鏈定向矢量控制。控制策略如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制圖

在轉(zhuǎn)子上建立兩相靜止坐標(biāo)系α2－β2，設(shè)α2軸和α1軸的夾角為θr。θ 與θr相減得到α2軸與α軸的夾角。根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)速v 計(jì)算出相應(yīng)的風(fēng)力機(jī)最佳葉尖速比λ 的機(jī)械角速度ω 值，作為轉(zhuǎn)速參考值，再與轉(zhuǎn)速反饋值ωref相比較，將比較后所得到的值送入PI 控制器，從而得到轉(zhuǎn)子電流給定值。根據(jù)風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)無功的要求計(jì)算出無功電流的給定值。系統(tǒng)整體無功功率由網(wǎng)側(cè)變換器來調(diào)節(jié)［13］。

以上控制策略是基于以下原理制定的。

假設(shè)將ω1定向在同步坐標(biāo)系d-q 的d 軸上，ω1為定子磁鏈ωs的幅值。ωds=ω1為d 軸上的磁鏈分量，ωqs=0 為q 軸上的磁鏈分量，u 為定子電壓矢量的幅值，根據(jù)電動(dòng)機(jī)慣例，則有uds=0 和uqs=u。按照瞬時(shí)功率理論，交流勵(lì)磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子側(cè)發(fā)出的有功、無功功率可寫為:

由上式可以看出，定子側(cè)輸出的有功功率和無功功率分別與轉(zhuǎn)子電流分量iqr和idr成線性關(guān)系，分別調(diào)節(jié)iqr和idr就可以調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。

4 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制運(yùn)行仿真

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型如圖6 所示，參數(shù)如下:發(fā)電機(jī)的額定功率是1 500 kW，額定電壓是0.575 kV，額定頻率f =50 Hz，定子電阻Rs和定子漏感Lls分別為0.023 p．u．，0.18 p．u．;轉(zhuǎn)子電阻Rt和轉(zhuǎn)子漏感Llr分別為0.016 p．u．，0.16 p．u．;激磁電感LM為2.9 p．u．，轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)為3。風(fēng)機(jī)輸入平均風(fēng)速為9.8 m/s 時(shí)的最佳葉尖速比為λopt=6.5。

圖6 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型

4.2 仿真結(jié)果及分析

圖7 為風(fēng)速的仿真模型，圖8 和圖9 分別為定、轉(zhuǎn)子三相電流仿真結(jié)果，圖10 為定子側(cè)有功功率和無功功率仿真結(jié)果，圖11 為直流母線電壓的調(diào)節(jié)控制結(jié)果。從圖10 可以看出，經(jīng)過短暫的調(diào)節(jié)過程之后，定子側(cè)有功功率和無功功率實(shí)現(xiàn)了解耦控制。隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，定子側(cè)有功功率雖然發(fā)生了改變，但能快速跟蹤轉(zhuǎn)速的變化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，而無功功率卻不受影響，基本維持在0 附近，說明定子側(cè)有功功率和無功功率實(shí)現(xiàn)了解耦控制。從圖11 看出，直流母線電壓隨著風(fēng)速的波動(dòng)，很快達(dá)到了平衡，說明了定子側(cè)對(duì)其進(jìn)行了很好的控制。

圖7 風(fēng)速模型

圖8 定子三相電流

圖9 轉(zhuǎn)子三相電流

圖10 定子側(cè)有功功率、無功功率

圖11 直流母線電壓

5 結(jié)論

本文首先介紹了交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本運(yùn)行原理;然后對(duì)風(fēng)力機(jī)的功率特性和風(fēng)能捕獲策略進(jìn)行了分析;其次，在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)追蹤最大風(fēng)能的控制策略進(jìn)行了研究;再次，在雙饋電機(jī)變換器的控制系統(tǒng)中，采用定子磁場(chǎng)定向的矢量變換控制技術(shù)，控制發(fā)電機(jī)輸出有功功率，來調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從而獲得了發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率的解耦控制，為追蹤與捕獲最大風(fēng)能創(chuàng)造了條件，并且對(duì)直流母線電壓進(jìn)行了很好的調(diào)節(jié);最后，設(shè)置了系統(tǒng)仿真參數(shù)，對(duì)所建立的模型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果證明，所建模型正確，所提出的控制策略恰當(dāng)。

目前該項(xiàng)控制研究中只應(yīng)用了簡(jiǎn)單的PID 控制，其對(duì)于線性系統(tǒng)控制性能較為良好，但是對(duì)于參數(shù)經(jīng)常變化系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)的控制仍有不足，下一步將要對(duì)于槳距控制引入智能控制、并網(wǎng)控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。

［1］卞松江，呂曉美，相會(huì)杰，等．交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的仿真研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25 (16):57-62．

［2］孫國(guó)偉，程小華．變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其發(fā)展趨勢(shì)［J］．電機(jī)與控制應(yīng)用，2007，34 (1):58-61，64．

［3］劉其輝，賀益康，張建華．并網(wǎng)型交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26 (23):109-114．

［4］吳聶根，程小華．變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)綜述［J］．微電機(jī)，2009，42 (8):69-72．

［5］Qiao W，HaHey R G．Grid connection requirements and solutions for DFIG wind［C］．Energy 2030 Conference，ENERGY 2008，IEEE，2008．17-18．

［6］劉其輝，賀益康，趙仁德．變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤控制［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27 (20):62-67．

［7］韓照亞，趙興勇，韓照晶，等．雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變換器的控制方法研究［J］．電力學(xué)報(bào)，2013，28 (1):54-57．

［8］王志新，張華強(qiáng)．風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與功率控制策略研究［J］．自動(dòng)化儀表，2008，29 (11):1-6．

［9］李軍軍，吳政球，譚勛瓊，等．風(fēng)力發(fā)電及其技術(shù)發(fā)展綜述［J］．電力建設(shè)，2011，32 (8):64-72．

［10］徐希望，李庚銀．基于Matlab/Simulink 的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模和仿真研究［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2010，26 (11):95-101．

［11］王榮熙，林飛，郝瑞祥，等．變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)的控制策略及仿真［J］．電機(jī)與控制應(yīng)用，2009，36 (4):26-30．

［12］倪昊．變速變槳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制［D］．蘭州:蘭州理工大學(xué)，2012．

［13］陳思卓，郭鵬，范曉旭．雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤控制的研究［J］．電力科學(xué)與工程，2010，26(1):1-4．

［14］李亞林，李含善，任永峰，等．變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究［J］．電力科學(xué)與工程，2007，23(3):1-5．

［15］王立果，裴慶磊，劉麗莉，等．基于PSCAD/EMTDC的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模與仿真分析［J］．電力科學(xué)與工程，2012，28 (8):24-29．