張晴晴，牛玉廣，代云飛

(華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206)

0 引言

風能是一種開發(fā)成本較低、清潔、安全、可再生的能源形式，并越來越受到重視［1］。由于自然界的風速具有間歇性和波動性，隨著風電場大量并入電網(wǎng)，輸出功率的波動往往會導致電網(wǎng)頻率的波動，影響電能質(zhì)量，嚴重時造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定，因此，如何使風電機組輸出的功率較為平滑成為研究熱點。

輸出功率的平滑控制為風電機組控制的重要環(huán)節(jié)，功率平滑控制策略主要分為兩種［2］:加儲能裝置和不加儲能裝置控制策略。文獻［3-5］分別加入飛輪、燃料電池、超級電容作為儲能裝置，但增加了風電場的投入成本。文獻［6］提出了一種變槳距控制策略，但變槳距執(zhí)行機構的慣性一般較大。文獻［7］利用風電機組轉子動能，這種控制策略利用系統(tǒng)的能量守恒來平滑輸出功率波動。

在風速變化較快時，由于變槳距執(zhí)行機構慣性較大，僅僅通過變槳距控制調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出功率，很難達到理想效果;而僅使用轉子動能控制犧牲功率則較多，本文提出了一種在全風速范圍內(nèi)轉子動能控制和變槳距控制相結合的功率平滑控制策略，該控制策略在全風速范圍內(nèi)控制槳距角大小，并利用發(fā)電機組轉子的動能來平滑輸出功率。將該控制策略應用在實驗室開發(fā)的風力發(fā)電機組半物理實時仿真平臺上，控制效果理想，驗證了該控制算法平滑輸出功率波動的有效性。

1 輸出功率平滑控制策略

傳統(tǒng)的MPPT控制策略是:額定風速以下，槳距角保持不變，每一個確定風速都對應有最大輸出功率Pmax;額定風速以上，通過調(diào)節(jié)槳距角的大小使風力發(fā)電機組輸出功率保持在額定值附近。

1.1 轉子動能控制

風速波動時，風機輸出功率也會相應的波動。假設Pwave為風機一段時間內(nèi)在MPPT控制策略下輸出的平均功率。由于風速和風能利用系數(shù)變化而引起的風能波動ΔEw為:

這部分風能的波動導致了輸出功率的波動，平滑控制策略的提出就是為了平滑這部分由于風能波動所導致的輸出功率波動。當風機產(chǎn)生功率大于Pwave時，風機的轉速變大，轉速增加所產(chǎn)生的一部分動能儲存在轉子端;當風機產(chǎn)生功率小于Pwave時，為保證輸出功率平穩(wěn)，儲存在轉子端的動能減小，風機的轉速變小。平滑控制策略就是將發(fā)電機轉子看作虛擬的儲能裝置，其儲存的能量可以用來補償輸出功率的波動。

采用上述輸出功率平滑控制策略，風機不是工作在MPPT相應的最大功率點上，所以輸出功率的平均值小于Pwave。假設輸出功率Pw=K*Pwave，其中K用來表征系統(tǒng)的效率，K＜1，K值越大，系統(tǒng)的效率越高，反之亦然。ωw為風機的轉速，其與風機輸出功率和轉矩關系為:Tw=Pw/ωw

圖1 K值不同時風機轉矩和轉速關系［7］

如圖1所示，當K=1時，風機轉矩和轉速關系曲線同MPPT控制策略下曲線有一個交點，此時，風機的轉子端沒有動能來補償由于風速波動引起的功率波動，功率輸出依舊波動較大。當K=0.9時，相應的曲線有兩個交點，對應的風機的轉速分別為ωmax，ωmin，此時轉子端可以用來補償功率波動的動能大小為:

其中J為風機的轉動慣量，要平滑風能波動所導致的輸出功率波動，公式(2)所得的動能要大于或等于公式(1)中風能波動，由此可得當0＜K≤0.97時，轉子端有足夠的動能來平滑輸出功率的波動。

為平滑風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，首先要計算出風力發(fā)電機組在MPPT控制策略下的輸出功率值Pmax，再求出風機一段時間內(nèi)在MPPT控制策略下輸出的平均功率Pwave。

式中t為當前時間，T指求平均值的積分時間。根據(jù)式(4)可求出用來平滑風力發(fā)電機組輸出功率波動的轉子端所儲存的功率大小ΔP為 :

風機功率平滑策略下，風力發(fā)電機組的能量公式如下所示:

經(jīng)過上式變換實現(xiàn)了轉速的平滑，且該平滑的轉速ωsmooth為:

1.2 變槳距控制

傳統(tǒng)MPPT控制策略中，當風速高于額定值時，變槳距控制啟動，使輸出功率穩(wěn)定在額定值附近。功率平滑控制策略中，當風速小于額定值時，發(fā)電機給定功率值偏離了機組最佳功率的最大值，所以要調(diào)節(jié)槳距角來控制汲取的風能，這樣才能保證功率的平衡。本文設計的變槳距控制系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 變槳距控制系統(tǒng)控制框圖

如圖2所示，ωw為風機的實時轉速，ωref為風速高于額定值時的轉速參考輸入值，ωsmooth為風電機組的平滑轉速。該控制系統(tǒng)中，在額定風速以上和以下分別設計了不同的PI控制器，可保證在風速超過額定值時，風機的轉速保持在額定值附近。風速低于額定值時，實時轉速可以跟蹤相應的平滑轉速。

1.3 輸出功率平滑控制策略

傳統(tǒng)的MPPT控制策略中，發(fā)電機有功功率的給定值與發(fā)電機組轉速的三次方成正比，這就導致了輸出功率給定值的波動。本文的功率平滑控制策略在全風速范圍內(nèi)結合變槳距控制和轉子動能控制，本質(zhì)是通過給定風電機組平滑的輸出功率值實現(xiàn)平滑控制。圖3所示為DFIG輸出功率平滑控制策略的控制框圖。

圖3中的變槳距控制系統(tǒng)采用圖2的控制系統(tǒng)，當風速小于額定值時，風力發(fā)電機組的轉速ωw經(jīng)過轉子動能控制得到平滑的輸出轉速ωsmooth，風機的實時轉速和該平滑轉速的偏差Δωa作為槳距角控制系統(tǒng)的輸入值，使風機的轉速可以跟蹤平滑轉速ωsmooth;ωref為額定風速相對應的轉速值，當風速高于額定值時，實時轉速和ωref的偏差Δωb作為槳距角控制系統(tǒng)的輸入值，可保證風機轉速維持在額定值附近。

上述所得平滑輸出轉速可得相應平滑輸出功率，該功率可作為輸出功率給定值來參與風電機組的功率控制?？傊?，經(jīng)過輸出功率平滑控制，可實現(xiàn)轉速閉環(huán)、平滑控制，且實現(xiàn)了全風速范圍的槳距角控制。

圖3 DFIG輸出功率平滑控制策略控制框圖

2 風力發(fā)電機組半物理實時仿真平臺

風力發(fā)電機組半物理實時仿真系統(tǒng)是利用硬件在環(huán)仿真技術，在實驗室開發(fā)的全數(shù)字化的風電系統(tǒng)實時仿真平臺，可在實驗室環(huán)境下快速的開發(fā)和驗證控制算法，使得控制器在進行真實機組測試之前就能夠進行全面的閉環(huán)測試，從而能夠控制風機的輸出功率，為風電場優(yōu)化調(diào)度提供基礎研究平臺。

風力發(fā)電機組半物理實時仿真系統(tǒng)進行多核平臺的并行運行。主要由上位機、路由器、風力發(fā)電機組仿真器、風力發(fā)電機組變流控制器、風力發(fā)電機組主控器組成，如圖4所示。上位機監(jiān)控界面用于人機交互，用戶可設定仿真環(huán)境條件和進行仿真操作。路由器用于將仿真系統(tǒng)組成局域網(wǎng)以進行數(shù)據(jù)交換。仿真器用于運行實時風機整機模型，包括機械模型和電氣模型。變流器用于運行實時的變流控制模型，對仿真器的電氣模型進行控制。主控器運行實時的主控模型，對仿真器的機械模型進行控制，調(diào)節(jié)變槳。

3 仿真驗證及結果分析

為驗證所提出的功率平滑控制策略的正確性，在風力發(fā)電機組半物理實時仿真平臺上搭建風機模型，仿真系統(tǒng)中，槳葉半徑:35 m/s、空氣密度:1.25 kg/m3、機組轉動慣量 390 000 kg·m2。

為評價平滑控制策略的有效性，本文以輸出功率的標準差σ來表征其平滑程度，該值越小表明輸出功率波動越小，平滑性越好。以輸出功率的平均值Pmean來表征控制系統(tǒng)的效率，Pmean值越大表明控制效率越高，其中n為采樣次數(shù)，Pi為第i此采樣的輸出功率值，本文中采樣次數(shù)n取100，表達如下所示:

圖4 風力發(fā)電機組半物理實時仿真平臺總體結構圖

圖5 實時風速曲線

系統(tǒng)中額定風速為12 m/s，模擬的實時風速v=12±Δv，Δv為 0～6 m/s之間的隨機風速，如圖5所示。
在此風速下，輸出功率的傳統(tǒng)MPPT控制和平滑控制相應的仿真曲線如圖6所示。

由上圖中的實時仿真曲線可見，MPPT控制策略下，輸出功率的尖峰較多，表明波動較大，而在功率平滑策略中，尖峰明顯減少且幅值減小，功率波動顯著減小。

圖7、圖8為在MPPT控制策略和平滑控制策略輸出功率的標準差和平均值曲線。
由圖7可以看出，與傳統(tǒng)的MPPT控制策略相比，平滑控制策略的標準差值σ明顯偏小且隨著K值的減小而減小，也就是說平滑控制算法中，K值越小，輸出功率越平滑。由圖8可知，MPPT的輸出功率平滑值較平滑控制策略打，但隨著K值的減小，平均值變小。綜上可知，傳統(tǒng)的MPPT控制策略雖然最大程度的捕獲了風能，但是輸出的功率波動較大;平滑控制策略中雖然犧牲了一部分功率，但卻得到了平滑的輸出功率，且K值越小，輸出功率波動越小。

圖6 不同控制策略下輸出功率波動曲線

圖7 輸出功率標準差曲線

圖8 輸出功率平均值曲線

4 結束語

風力發(fā)電機組半物理實時仿真平臺仿真結果表明，功率平滑控制算法在沒有添加任何電力電子等原件的情況下，通過在全風速范圍內(nèi)結合變槳距控制和轉子動能控制，可以有效的抑制因風速的不確定性而導致的功率輸出波動。該控制算法結構簡單，無需添加任何輔助設備，抑制輸出功率波動效果顯著，但同最大風能追蹤控制策略相比需要犧牲一定的輸出功率。

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