雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤雙?？刂蒲芯?/h1>
2013-07-02 06:45:40劉鑫曲延濱
電氣傳動(dòng) 2013年6期
劉鑫，曲延濱
（1.聊城供電公司，山東 聊城252000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）信息與電氣工程學(xué)院，山東 威海264209）
在變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)側(cè)勵(lì)磁控制研究中，最大功率追蹤控制關(guān)注的是如何將風(fēng)力機(jī)的機(jī)械能盡可能多的轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能[1]。 現(xiàn)有的最大功率追蹤控制主要分為兩種控制方式：一種是速度控制方式，這種方式控制目標(biāo)明確，與作用在風(fēng)機(jī)槳葉上的風(fēng)速有很好的相關(guān)性[2]；另一種方式是電流控制方式，這種方式相對(duì)于直接速度控制，不需要對(duì)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，比較容易實(shí)現(xiàn)[3－4]。
本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的直接速度控制以及間接速度控制方式的對(duì)比分析，總結(jié)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種采用滯環(huán)的變切換點(diǎn)雙?？刂品绞綄煞N方法進(jìn)行結(jié)合，以達(dá)到改善系統(tǒng)最大功率追蹤控制效果的目的。
1 風(fēng)力機(jī)特性分析
根據(jù)貝茲理論，可得風(fēng)力機(jī)通過(guò)風(fēng)輪捕獲風(fēng)能而產(chǎn)生的機(jī)械功率為
式中：ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；β為槳距角；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；v 為風(fēng)速。
式（1）中λ 為葉尖速比，它是風(fēng)輪葉尖線速度與風(fēng)速之比的函數(shù)，
式中：ω 為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角速度；n 為風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速。
由式（2）可以得出：在不同的風(fēng)速下，每個(gè)風(fēng)速都對(duì)應(yīng)一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)速，使得λ=λopt。 根據(jù)式（1）與式（2），可以得到不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出的功率輸出特性，從而為最大功率追蹤控制系統(tǒng)的控制給定設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
2 DSC 與ISC 控制方式對(duì)比分析
2.1 基于定子磁鏈定向的矢量控制方法分析
基于定子磁鏈定向的矢量控制方法是目前普遍用于變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變換器控制的控制方法，其控制系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 基于定子磁鏈定向的矢量控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of vector control based on stator flux oriented
基于定子磁鏈定向的矢量控制采用解耦的思想，控制結(jié)構(gòu)采用雙環(huán)控制。 控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)為電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的解耦控制環(huán)，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)，得到轉(zhuǎn)子電壓系統(tǒng)給定； 外環(huán)為控制目標(biāo)變量與無(wú)功功率的解耦控制，通過(guò)其反饋調(diào)節(jié)得到內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)子電流的給定值。
2.2 直接速度控制分析
直接速度控制方式的控制目標(biāo)變量選擇電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速，其給定量的獲得是通過(guò)檢測(cè)風(fēng)速，再根據(jù)式（2），令λ=λopt，即可得到系統(tǒng)的給定最佳轉(zhuǎn)速ω*。 但是這種獲得轉(zhuǎn)速給定的方式需要檢測(cè)風(fēng)速，且風(fēng)速檢測(cè)具有不確定性，這樣會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本以及控制的不確定性。 因此本文采用轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的方式獲得轉(zhuǎn)速給定，如下式所示：
式中：kω為最大功率系數(shù)，kω=0.5ρS（R/λopt）3Cpmax，S 為風(fēng)輪掃過(guò)的面積；為轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)值。
通過(guò)分析可以獲得轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子電流的q 軸分量的關(guān)系如下[5]：
式中：Dg為轉(zhuǎn)矩 阻尼系數(shù)；J 為 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；TL為風(fēng)力機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
由式（4），對(duì)控制系統(tǒng)外環(huán)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)如式（5）所示，從而實(shí)現(xiàn)控制外環(huán)轉(zhuǎn)速與無(wú)功功率的解耦控制：
式中：Kρp，Kip為PI 調(diào)節(jié)器的比例與積分系數(shù)。
2.3 間接速度控制分析
間接速度控制方式的控制目標(biāo)變量選擇為電機(jī)轉(zhuǎn)子的輸出有功功率或電磁轉(zhuǎn)矩，本文對(duì)控制系統(tǒng)外環(huán)采用有功與無(wú)功解耦控制的間接速度控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。 控制目標(biāo)變量轉(zhuǎn)子有功功率的給定通過(guò)檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)下式計(jì) 算[6]：
由式（6）可以得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的最佳功率，之后根據(jù)雙饋電機(jī)的功率流動(dòng)關(guān)系，由下式可得系統(tǒng)的有功功率給定：
式中：s 為轉(zhuǎn)差率。
通過(guò)矢量控制的原理以及雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可以得到轉(zhuǎn)子輸出有功功率與轉(zhuǎn)子電流的q 軸分量的關(guān)系如下[5]：
由式（8），對(duì)系統(tǒng)外環(huán)的有功功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)如下式所示，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)外環(huán)有功功率與無(wú)功功率的解耦控制：
2.4 DSC 與ISC 的特點(diǎn)對(duì)比
通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)的分析，針對(duì)直接速度控制方式以及間接速度控制方式的特點(diǎn)可以得到以下結(jié)論[5]：直接速度控制的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)性能好，但其定子有功功率的穩(wěn)態(tài)性能差，會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)與振蕩； 間接速度控制的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)性能差，無(wú)法快速跟隨風(fēng)速變化，但其定子有功功率的穩(wěn)態(tài)性能好，不會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)與振蕩。
3 雙?？刂品绞降姆治雠c研究
3.1 雙?？刂品绞降脑O(shè)計(jì)
通過(guò)第2 節(jié)的分析，本文考慮采用雙?？刂频乃枷?，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的切換規(guī)則，實(shí)現(xiàn)直接速度控制方式與間接速度控制方式之間的切換，結(jié)合兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，從而達(dá)到對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)最大功率追蹤控制效果的改進(jìn)。
3.1.1 切換條件
對(duì)于常用的雙?？刂?，常采用簡(jiǎn)單的切換條件，即設(shè)置一個(gè)確定的切換值ξ，運(yùn)用觀測(cè)值與ξ 進(jìn)行對(duì)比，來(lái)確定當(dāng)前選用的控制方式。但是這種單值切換方式也存在一些問(wèn)題：首先，切換值ξ 的選取要合適，針對(duì)本文研究的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，動(dòng)態(tài)過(guò)程首先采用動(dòng)態(tài)性能好但是穩(wěn)態(tài)性能不好的DSC 方式，當(dāng)系統(tǒng)輸出接近系統(tǒng)給定時(shí)，切換至穩(wěn)態(tài)性能較好的ISC 方式，如果ζ 選取的較小，會(huì)使DSC 方式持續(xù)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出，如果ξ 選取的較大，則會(huì)使得系統(tǒng)過(guò)早地切換至ISC 方式，影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的快速性；其次，在切換點(diǎn)處，由于兩種控制方式在方法上的不同，使得在切換前后無(wú)法保證控制系統(tǒng)的輸出完全相等以及連續(xù)，因此切換過(guò)程中不可避免地會(huì)存在輸出波動(dòng)，如果采用單值ξ 的切換方式，由于在切換點(diǎn)處系統(tǒng)的波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在切換點(diǎn)處頻繁切換，從而會(huì)加劇切換過(guò)程中的系統(tǒng)波動(dòng)，并會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
基于以上分析，本文考慮采用帶滯環(huán)的變切換點(diǎn)切換條件來(lái)實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤雙模控制，其原理如圖2所示。
圖2 運(yùn)用滯環(huán)的變切換點(diǎn)切換條件Fig.2 Switching conditions with hysteresis
選用系統(tǒng)給定機(jī)械轉(zhuǎn)速與實(shí)際發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速偏差|△ω|（|△ω|=|ω*-ω|）為切換標(biāo)準(zhǔn)。 見圖2，滯環(huán)的釋放以及吸和點(diǎn)分別設(shè)置為k1ω*與k2ω*，k1，k2為固定參數(shù)且滿足k1＞k2，可以看出滯環(huán)的釋放以及吸和點(diǎn)的設(shè)置均與當(dāng)前的系統(tǒng)給定有關(guān)，采用這種滯環(huán)設(shè)置方式可以解決由于系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定變化而帶來(lái)的雙?？刂七^(guò)早或過(guò)晚切換的問(wèn)題，即系統(tǒng)可以適應(yīng)給定條件變化，而且由于滯環(huán)的存在，可以解決單點(diǎn)切換的雙模控制中出現(xiàn)的頻繁切換問(wèn)題。當(dāng)|△ω|上升且大于k1ω*時(shí)，滯環(huán)的特征值y 由0 變至1；當(dāng)|△ω|下降且小于k2ω*時(shí)，滯環(huán)的特征值y 由0 變至1。
3.1.2 切換規(guī)則
根據(jù)以上對(duì)滯環(huán)切換條件的設(shè)計(jì)，對(duì)基于DSC 與ISC 的雙?？刂品绞降那袚Q規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，其切換規(guī)則如下：1）當(dāng)滯環(huán)的特征值y 為1時(shí)，表示|△ω|較大，系統(tǒng)采用直接速度控制方式，縮短系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的調(diào)節(jié)時(shí)間；2）當(dāng)滯環(huán)的特征值y 為0 時(shí)，表示|△ω|較小，系統(tǒng)采用間接速度控制方式，減小穩(wěn)態(tài)過(guò)程中定子輸出有功功率的超調(diào)與振蕩。
根據(jù)以上對(duì)雙模切換規(guī)則的描述，可用數(shù)學(xué)語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行表示如下：
式中：sdm為雙?？刂品绞降目刂菩盘?hào)；sDSC為直接速度控制方式的控制信號(hào)；sISC為間接速度控制方式的控制信號(hào)。
3.2 雙?？刂品绞娇刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)比2.2 中所分析的直接速度控制系統(tǒng)與2.3 中所分析的間接速度控制系統(tǒng)，可以看出，這兩種控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是相同的，都是轉(zhuǎn)子電流環(huán)，而且控制外環(huán)都是實(shí)現(xiàn)控制量與定子無(wú)功功率的解耦控制，因此將雙?？刂破鞯目刂戚敵雠cDSC 系統(tǒng)（或ISC）的轉(zhuǎn)速PI 調(diào)節(jié)器（或有功功率PI 調(diào)節(jié)器）的控制輸出對(duì)應(yīng)，即雙?？刂破鞯目刂戚敵鲂盘?hào)為轉(zhuǎn)子電流q 軸分量iqr的給定信號(hào)i*qr，由式（10），則有sdm=i*qr。基于以上分析，本文對(duì)雙?？刂品绞降目刂葡到y(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖3所示。
圖3 雙模控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of dual-mode control system
由圖3可知，本文對(duì)雙模控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是通過(guò)將直接速度控制與間接速度控制控制外環(huán)的轉(zhuǎn)速控制與有功功率控制進(jìn)行結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的。 在系統(tǒng)控制過(guò)程中，系統(tǒng)分別對(duì)發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速以及定子有功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別得到轉(zhuǎn)子電流q 軸分量iqr的給定信號(hào)sDSC與sISC，之后通過(guò)雙?？刂频那袚Q規(guī)則對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，由式（10）最終獲得轉(zhuǎn)子電流q 軸分量iqr的給定信號(hào)i*qr，對(duì)轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行控制。
4 仿真分析及結(jié)論
本文在Matlab/Simulink 中分別搭建了應(yīng)用DSC，ISC 以及雙?？刂品绞降碾p饋風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)，其中系統(tǒng)雙饋發(fā)電機(jī)的參數(shù)為：PN=2 MW；UN=690 V；fN=50 Hz；Rs=0.005 Ω；Ls=4.074×10-4H；Rr=0.008 Ω；Lr=4.08×10-4H；Lm=3.98×10-4H；p=2；J=90 kg·m2。 風(fēng)力機(jī)的參數(shù)為：風(fēng)輪直徑37.5 m；啟動(dòng)風(fēng)速4 m/s；額定風(fēng)速10 m/s；安全風(fēng)速6 m/s；額定轉(zhuǎn)速20 r/min；風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1.92×105kg·m2。 為了對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行分析，仿真過(guò)程中采用階躍風(fēng)的形式：起始風(fēng)速為7.5 m/s，在4 s 時(shí)階躍變化為11 m/s。 齒輪箱的傳動(dòng)系數(shù)為80。 得到的仿真結(jié)果見圖4、圖5。
圖4 發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparative results of the generator speed
圖4為發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速的對(duì)比仿真結(jié)果。通過(guò)對(duì)比可以看出雙?？刂葡到y(tǒng)的發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速具有與直接速度控制系統(tǒng)相比擬的動(dòng)態(tài)性能，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，可以快速跟隨風(fēng)速的變化。 圖5為發(fā)電機(jī)定子輸出的有功功率的對(duì)比仿真結(jié)果。 通過(guò)對(duì)比可以看出與直接速度控制系統(tǒng)相比雙?？刂葡到y(tǒng)的發(fā)電機(jī)定子輸出功率的靜態(tài)性能有了很大的改善，只在切換點(diǎn)處有波動(dòng)產(chǎn)生，與間接速度控制系統(tǒng)相比其動(dòng)態(tài)性能也得到明顯的提高。
圖5 有功功率仿真結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparative results of active power
本文通過(guò)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)最大功率追蹤傳統(tǒng)的DSC 以及ISC 進(jìn)行分析，提出了運(yùn)用滯環(huán)的變切換點(diǎn)切換條件的雙模控制方式對(duì)傳統(tǒng)方式進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)對(duì)比仿真可以得到本文設(shè)計(jì)的采用雙?？刂品绞降碾p饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)最大功率追蹤控制，既可以體現(xiàn)出直接速度控制方式的動(dòng)態(tài)控制性能優(yōu)勢(shì)，又可以體現(xiàn)出間接速度控制方式的良好穩(wěn)態(tài)控制性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種控制方式的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)最大功率追蹤控制的改進(jìn)。
[1] 胡雪松，孫才新，李輝，等.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)控制策略改進(jìn)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（8）：58－63.
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本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的直接速度控制以及間接速度控制方式的對(duì)比分析，總結(jié)其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種采用滯環(huán)的變切換點(diǎn)雙?？刂品绞綄煞N方法進(jìn)行結(jié)合，以達(dá)到改善系統(tǒng)最大功率追蹤控制效果的目的。
1 風(fēng)力機(jī)特性分析
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式中：ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；β為槳距角；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；v 為風(fēng)速。
式（1）中λ 為葉尖速比，它是風(fēng)輪葉尖線速度與風(fēng)速之比的函數(shù)，
式中：ω 為風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)的機(jī)械角速度；n 為風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速。
由式（2）可以得出：在不同的風(fēng)速下，每個(gè)風(fēng)速都對(duì)應(yīng)一個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)速，使得λ=λopt。 根據(jù)式（1）與式（2），可以得到不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出的功率輸出特性，從而為最大功率追蹤控制系統(tǒng)的控制給定設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
2 DSC 與ISC 控制方式對(duì)比分析
2.1 基于定子磁鏈定向的矢量控制方法分析
基于定子磁鏈定向的矢量控制方法是目前普遍用于變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)變換器控制的控制方法，其控制系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 基于定子磁鏈定向的矢量控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of vector control based on stator flux oriented
基于定子磁鏈定向的矢量控制采用解耦的思想，控制結(jié)構(gòu)采用雙環(huán)控制。 控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)為電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的解耦控制環(huán)，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)，得到轉(zhuǎn)子電壓系統(tǒng)給定； 外環(huán)為控制目標(biāo)變量與無(wú)功功率的解耦控制，通過(guò)其反饋調(diào)節(jié)得到內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)子電流的給定值。
2.2 直接速度控制分析
直接速度控制方式的控制目標(biāo)變量選擇電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速，其給定量的獲得是通過(guò)檢測(cè)風(fēng)速，再根據(jù)式（2），令λ=λopt，即可得到系統(tǒng)的給定最佳轉(zhuǎn)速ω*。 但是這種獲得轉(zhuǎn)速給定的方式需要檢測(cè)風(fēng)速，且風(fēng)速檢測(cè)具有不確定性，這樣會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本以及控制的不確定性。 因此本文采用轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器的方式獲得轉(zhuǎn)速給定，如下式所示：
式中：kω為最大功率系數(shù)，kω=0.5ρS（R/λopt）3Cpmax，S 為風(fēng)輪掃過(guò)的面積；為轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)值。
通過(guò)分析可以獲得轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子電流的q 軸分量的關(guān)系如下[5]：
式中：Dg為轉(zhuǎn)矩 阻尼系數(shù)；J 為 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；TL為風(fēng)力機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
由式（4），對(duì)控制系統(tǒng)外環(huán)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)如式（5）所示，從而實(shí)現(xiàn)控制外環(huán)轉(zhuǎn)速與無(wú)功功率的解耦控制：
式中：Kρp，Kip為PI 調(diào)節(jié)器的比例與積分系數(shù)。
2.3 間接速度控制分析
間接速度控制方式的控制目標(biāo)變量選擇為電機(jī)轉(zhuǎn)子的輸出有功功率或電磁轉(zhuǎn)矩，本文對(duì)控制系統(tǒng)外環(huán)采用有功與無(wú)功解耦控制的間接速度控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。 控制目標(biāo)變量轉(zhuǎn)子有功功率的給定通過(guò)檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)下式計(jì) 算[6]：
由式（6）可以得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的最佳功率，之后根據(jù)雙饋電機(jī)的功率流動(dòng)關(guān)系，由下式可得系統(tǒng)的有功功率給定：
式中：s 為轉(zhuǎn)差率。
通過(guò)矢量控制的原理以及雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可以得到轉(zhuǎn)子輸出有功功率與轉(zhuǎn)子電流的q 軸分量的關(guān)系如下[5]：
由式（8），對(duì)系統(tǒng)外環(huán)的有功功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)如下式所示，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)外環(huán)有功功率與無(wú)功功率的解耦控制：
2.4 DSC 與ISC 的特點(diǎn)對(duì)比
通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)的分析，針對(duì)直接速度控制方式以及間接速度控制方式的特點(diǎn)可以得到以下結(jié)論[5]：直接速度控制的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)性能好，但其定子有功功率的穩(wěn)態(tài)性能差，會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)與振蕩； 間接速度控制的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)性能差，無(wú)法快速跟隨風(fēng)速變化，但其定子有功功率的穩(wěn)態(tài)性能好，不會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)與振蕩。
3 雙?？刂品绞降姆治雠c研究
3.1 雙?？刂品绞降脑O(shè)計(jì)
通過(guò)第2 節(jié)的分析，本文考慮采用雙?？刂频乃枷?，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的切換規(guī)則，實(shí)現(xiàn)直接速度控制方式與間接速度控制方式之間的切換，結(jié)合兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，從而達(dá)到對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)最大功率追蹤控制效果的改進(jìn)。
3.1.1 切換條件
對(duì)于常用的雙?？刂?，常采用簡(jiǎn)單的切換條件，即設(shè)置一個(gè)確定的切換值ξ，運(yùn)用觀測(cè)值與ξ 進(jìn)行對(duì)比，來(lái)確定當(dāng)前選用的控制方式。但是這種單值切換方式也存在一些問(wèn)題：首先，切換值ξ 的選取要合適，針對(duì)本文研究的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤控制，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，動(dòng)態(tài)過(guò)程首先采用動(dòng)態(tài)性能好但是穩(wěn)態(tài)性能不好的DSC 方式，當(dāng)系統(tǒng)輸出接近系統(tǒng)給定時(shí)，切換至穩(wěn)態(tài)性能較好的ISC 方式，如果ζ 選取的較小，會(huì)使DSC 方式持續(xù)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出，如果ξ 選取的較大，則會(huì)使得系統(tǒng)過(guò)早地切換至ISC 方式，影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的快速性；其次，在切換點(diǎn)處，由于兩種控制方式在方法上的不同，使得在切換前后無(wú)法保證控制系統(tǒng)的輸出完全相等以及連續(xù)，因此切換過(guò)程中不可避免地會(huì)存在輸出波動(dòng)，如果采用單值ξ 的切換方式，由于在切換點(diǎn)處系統(tǒng)的波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在切換點(diǎn)處頻繁切換，從而會(huì)加劇切換過(guò)程中的系統(tǒng)波動(dòng)，并會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
基于以上分析，本文考慮采用帶滯環(huán)的變切換點(diǎn)切換條件來(lái)實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率追蹤雙模控制，其原理如圖2所示。
圖2 運(yùn)用滯環(huán)的變切換點(diǎn)切換條件Fig.2 Switching conditions with hysteresis
選用系統(tǒng)給定機(jī)械轉(zhuǎn)速與實(shí)際發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速偏差|△ω|（|△ω|=|ω*-ω|）為切換標(biāo)準(zhǔn)。 見圖2，滯環(huán)的釋放以及吸和點(diǎn)分別設(shè)置為k1ω*與k2ω*，k1，k2為固定參數(shù)且滿足k1＞k2，可以看出滯環(huán)的釋放以及吸和點(diǎn)的設(shè)置均與當(dāng)前的系統(tǒng)給定有關(guān)，采用這種滯環(huán)設(shè)置方式可以解決由于系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定變化而帶來(lái)的雙?？刂七^(guò)早或過(guò)晚切換的問(wèn)題，即系統(tǒng)可以適應(yīng)給定條件變化，而且由于滯環(huán)的存在，可以解決單點(diǎn)切換的雙模控制中出現(xiàn)的頻繁切換問(wèn)題。當(dāng)|△ω|上升且大于k1ω*時(shí)，滯環(huán)的特征值y 由0 變至1；當(dāng)|△ω|下降且小于k2ω*時(shí)，滯環(huán)的特征值y 由0 變至1。
3.1.2 切換規(guī)則
根據(jù)以上對(duì)滯環(huán)切換條件的設(shè)計(jì)，對(duì)基于DSC 與ISC 的雙?？刂品绞降那袚Q規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，其切換規(guī)則如下：1）當(dāng)滯環(huán)的特征值y 為1時(shí)，表示|△ω|較大，系統(tǒng)采用直接速度控制方式，縮短系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的調(diào)節(jié)時(shí)間；2）當(dāng)滯環(huán)的特征值y 為0 時(shí)，表示|△ω|較小，系統(tǒng)采用間接速度控制方式，減小穩(wěn)態(tài)過(guò)程中定子輸出有功功率的超調(diào)與振蕩。
根據(jù)以上對(duì)雙模切換規(guī)則的描述，可用數(shù)學(xué)語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行表示如下：
式中：sdm為雙?？刂品绞降目刂菩盘?hào)；sDSC為直接速度控制方式的控制信號(hào)；sISC為間接速度控制方式的控制信號(hào)。
3.2 雙?？刂品绞娇刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)比2.2 中所分析的直接速度控制系統(tǒng)與2.3 中所分析的間接速度控制系統(tǒng)，可以看出，這兩種控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是相同的，都是轉(zhuǎn)子電流環(huán)，而且控制外環(huán)都是實(shí)現(xiàn)控制量與定子無(wú)功功率的解耦控制，因此將雙?？刂破鞯目刂戚敵雠cDSC 系統(tǒng)（或ISC）的轉(zhuǎn)速PI 調(diào)節(jié)器（或有功功率PI 調(diào)節(jié)器）的控制輸出對(duì)應(yīng)，即雙?？刂破鞯目刂戚敵鲂盘?hào)為轉(zhuǎn)子電流q 軸分量iqr的給定信號(hào)i*qr，由式（10），則有sdm=i*qr。基于以上分析，本文對(duì)雙?？刂品绞降目刂葡到y(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖3所示。
圖3 雙模控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of dual-mode control system
由圖3可知，本文對(duì)雙模控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是通過(guò)將直接速度控制與間接速度控制控制外環(huán)的轉(zhuǎn)速控制與有功功率控制進(jìn)行結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的。 在系統(tǒng)控制過(guò)程中，系統(tǒng)分別對(duì)發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速以及定子有功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別得到轉(zhuǎn)子電流q 軸分量iqr的給定信號(hào)sDSC與sISC，之后通過(guò)雙?？刂频那袚Q規(guī)則對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，由式（10）最終獲得轉(zhuǎn)子電流q 軸分量iqr的給定信號(hào)i*qr，對(duì)轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行控制。
4 仿真分析及結(jié)論
本文在Matlab/Simulink 中分別搭建了應(yīng)用DSC，ISC 以及雙?？刂品绞降碾p饋風(fēng)力發(fā)電模擬系統(tǒng)，其中系統(tǒng)雙饋發(fā)電機(jī)的參數(shù)為：PN=2 MW；UN=690 V；fN=50 Hz；Rs=0.005 Ω；Ls=4.074×10-4H；Rr=0.008 Ω；Lr=4.08×10-4H；Lm=3.98×10-4H；p=2；J=90 kg·m2。 風(fēng)力機(jī)的參數(shù)為：風(fēng)輪直徑37.5 m；啟動(dòng)風(fēng)速4 m/s；額定風(fēng)速10 m/s；安全風(fēng)速6 m/s；額定轉(zhuǎn)速20 r/min；風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1.92×105kg·m2。 為了對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行分析，仿真過(guò)程中采用階躍風(fēng)的形式：起始風(fēng)速為7.5 m/s，在4 s 時(shí)階躍變化為11 m/s。 齒輪箱的傳動(dòng)系數(shù)為80。 得到的仿真結(jié)果見圖4、圖5。
圖4 發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparative results of the generator speed
圖4為發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速的對(duì)比仿真結(jié)果。通過(guò)對(duì)比可以看出雙?？刂葡到y(tǒng)的發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速具有與直接速度控制系統(tǒng)相比擬的動(dòng)態(tài)性能，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，可以快速跟隨風(fēng)速的變化。 圖5為發(fā)電機(jī)定子輸出的有功功率的對(duì)比仿真結(jié)果。 通過(guò)對(duì)比可以看出與直接速度控制系統(tǒng)相比雙?？刂葡到y(tǒng)的發(fā)電機(jī)定子輸出功率的靜態(tài)性能有了很大的改善，只在切換點(diǎn)處有波動(dòng)產(chǎn)生，與間接速度控制系統(tǒng)相比其動(dòng)態(tài)性能也得到明顯的提高。
圖5 有功功率仿真結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparative results of active power
本文通過(guò)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)最大功率追蹤傳統(tǒng)的DSC 以及ISC 進(jìn)行分析，提出了運(yùn)用滯環(huán)的變切換點(diǎn)切換條件的雙模控制方式對(duì)傳統(tǒng)方式進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)對(duì)比仿真可以得到本文設(shè)計(jì)的采用雙?？刂品绞降碾p饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)最大功率追蹤控制，既可以體現(xiàn)出直接速度控制方式的動(dòng)態(tài)控制性能優(yōu)勢(shì)，又可以體現(xiàn)出間接速度控制方式的良好穩(wěn)態(tài)控制性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種控制方式的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)最大功率追蹤控制的改進(jìn)。
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