廖勝超， 朱凌云， 孫培德

(東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620)

0 引言

風(fēng)電設(shè)備投入使用之前都是經(jīng)過(guò)了好幾年測(cè)試的，而我國(guó)很多風(fēng)機(jī)推入市場(chǎng)之前還沒(méi)來(lái)得及進(jìn)行測(cè)試，隱患肯定存在。要研究風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)需要大量的試驗(yàn)研究，最準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)方法當(dāng)然是將風(fēng)電機(jī)組置于風(fēng)電場(chǎng)，做真實(shí)的風(fēng)電實(shí)驗(yàn)。但是，考慮到下述原因，真實(shí)的風(fēng)電實(shí)驗(yàn)很難實(shí)施:①風(fēng)速條件無(wú)法人為控制。某些風(fēng)電實(shí)驗(yàn)需要偶發(fā)的特殊風(fēng)速條件，長(zhǎng)時(shí)間等待實(shí)驗(yàn)條件必然耽誤科研進(jìn)度;②風(fēng)速、風(fēng)向隨機(jī)波動(dòng)，且不易精確測(cè)量，影響風(fēng)電實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析;③單臺(tái)實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)的安裝維護(hù)成本很高，特別是大型風(fēng)電機(jī)組的研究;④對(duì)于不成熟的控制實(shí)驗(yàn)存在安全隱患。上述因素使得大部分風(fēng)電研究，特別是風(fēng)電控制研究很難進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法具備風(fēng)場(chǎng)環(huán)境或者風(fēng)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)條件，這不利于一些新穎的理論和技術(shù)的研究。為了加快風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)能力，必須進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電模擬技術(shù)研究，建設(shè)風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)的模擬平臺(tái)［1］。

目前，國(guó)內(nèi)很多機(jī)構(gòu)與高校都已經(jīng)建設(shè)了大、小功率的風(fēng)力發(fā)電模擬平臺(tái)，同時(shí)也進(jìn)行了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的仿真研究。除使用原動(dòng)機(jī)作為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪模擬部分以外，其他電氣結(jié)構(gòu)部分基本與真實(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)相同［2］。

本文使用異步電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，異步電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，四象限變頻器連接異步電機(jī)和電網(wǎng)，四象限變頻器連接電機(jī)的一側(cè)使用磁通矢量控制給定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，原動(dòng)機(jī)的控制方式為閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制。使用四象限變頻器大大減小了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也是未來(lái)技術(shù)的發(fā)展方向。軟件上使用一個(gè)固定風(fēng)速情境下的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速模型，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)追蹤最大功率點(diǎn)，即通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整回饋的功率達(dá)到峰值，驗(yàn)證方法為觀察實(shí)際工作點(diǎn)沿著理想曲線運(yùn)動(dòng)，最終效果理想穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)原理及硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用異步電機(jī)變頻拖動(dòng)單元來(lái)寬范圍模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，用戶可根據(jù)需要調(diào)節(jié)拖動(dòng)單元轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到模擬風(fēng)速變化引起的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。通過(guò)開(kāi)放式主控系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)需求給定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，通過(guò)變流系統(tǒng)控制異步發(fā)電機(jī)的功率輸出，達(dá)到變速恒頻風(fēng)力機(jī)組的并網(wǎng)或離網(wǎng)發(fā)電等過(guò)程各參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。

系統(tǒng)分為拖動(dòng)單元、控制單元、發(fā)電單元、測(cè)速單元，原理圖如圖1所示。

(1)拖動(dòng)單元。由一臺(tái)二象限變頻器ATV71及其控制的4 kW異步電動(dòng)機(jī)(風(fēng)力機(jī))組成，功能是模擬系統(tǒng)因風(fēng)速變化而引起的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩變化。

(2)控制單元。由施耐德Modicon M340可編程控制器(PLC)、觸摸屏XBTGT2330和PC機(jī)組成，功能主要是分析系統(tǒng)狀態(tài)，控制系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模擬。

(3)發(fā)電單元。由ABB的四象限變頻器ACS800及其控制的3 kW全功率異步發(fā)電機(jī)組成，功能是實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)或離網(wǎng)發(fā)電過(guò)程。

(4)測(cè)速單元。速度編碼器，其提供的連接軸上的實(shí)際轉(zhuǎn)速傳遞給ATV71，再通過(guò)CANopen總線傳遞給PLC。

圖1 系統(tǒng)硬件原理圖

圖1中，觸摸屏相當(dāng)于操作面板，控制風(fēng)力機(jī)和異步發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)、停止以及轉(zhuǎn)速給定;觸摸屏與PC通過(guò)以太網(wǎng)相聯(lián)，觸摸屏與PLC掛在同一個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)上;觸摸屏通過(guò)和PC通信，實(shí)現(xiàn)其上的程序下載和調(diào)試;觸摸屏通過(guò)和PLC通信，相互交換各自程序需要的數(shù)據(jù)。PC機(jī)主要的作用是編程調(diào)試，并且利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)視作用，其與PLC的通信方式為以太網(wǎng)。PLC中的電源模塊提供整個(gè)控制系統(tǒng)中24 V DC的供電;CPU模塊的以太網(wǎng)和CANopen接口接受外部各種輸入和輸出信號(hào)，CANopen通信接口和ATV71變頻器(U3)連接，PLC的模擬輸出模塊給定四象限變頻器(U2)頻率，開(kāi)關(guān)量輸出模塊給定四象限變頻器控制異步發(fā)電機(jī)的起停信號(hào)。U2連接三相電網(wǎng)和異步發(fā)電機(jī)，機(jī)側(cè)使用磁通矢量控制來(lái)控制連接軸的轉(zhuǎn)速。變頻器U3控制風(fēng)力機(jī)的啟停的信號(hào)和速度大小由PLC的Canopen總線給定，其轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩控制切換由PLC開(kāi)關(guān)量輸出模塊給定。兩電機(jī)的調(diào)速范圍從0～1 500 r/min，通過(guò)一個(gè)連接軸相連接。連接軸上的速度由速度編碼器測(cè)得后給U3，然后由U3將速度值提供給PLC。

近年來(lái)，變頻器的電網(wǎng)側(cè)采用PWM整流和逆變技術(shù)，使得變頻器的電網(wǎng)、電機(jī)側(cè)都可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)變頻器的四象限運(yùn)行［4］。當(dāng)電機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其中再生的能量經(jīng)逆變器中開(kāi)關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間電流電壓升高，此時(shí)電網(wǎng)側(cè)變換器中的開(kāi)關(guān)元件在PWM的控制下將能量饋入到電網(wǎng)。同時(shí)，由于PWM整流器電流閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。

系統(tǒng)的基本運(yùn)行過(guò)程:打開(kāi)所有設(shè)備電源，使U3工作在速度控制模式，通過(guò)觸摸屏和PLC給出U2和U3的給定轉(zhuǎn)速，然后點(diǎn)擊觸摸屏上啟動(dòng)電機(jī)按鈕，使兩電機(jī)提速到指定轉(zhuǎn)速，這時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的軸上的轉(zhuǎn)矩幾乎為0。通過(guò)觸摸屏和PLC使U3工作在轉(zhuǎn)矩控制模式，轉(zhuǎn)矩給定由PLC根據(jù)風(fēng)機(jī)特性和當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)計(jì)算獲得。為使模擬風(fēng)力機(jī)的電機(jī)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，U3自動(dòng)調(diào)整輸出頻率和電壓，使得連接軸的轉(zhuǎn)速大于發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)。風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率回饋給四象限變頻器U2，并輸送到電網(wǎng)，可以通過(guò)四象限變頻器U2的面板觀測(cè)到回饋功率的值。調(diào)節(jié)U2的輸出頻率(即發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩隨之根據(jù)風(fēng)機(jī)特性而改變。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖2描述了系統(tǒng)軟件的總流程，包括PLC中UnityPro軟件的梯形圖結(jié)合ST語(yǔ)言的編程、觸摸屏中Vijeo Designer的編程和上位機(jī)中的 Vijeo Citect的cicode編程。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

(1)觸摸屏的UI界面。啟動(dòng)按鈕用于同時(shí)啟動(dòng)2個(gè)電機(jī)，并保持同一速度，當(dāng)?shù)竭_(dá)想要調(diào)速的大致區(qū)間后，開(kāi)啟風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，使得回饋制動(dòng)的功率始終保持在穩(wěn)定的值，關(guān)于風(fēng)力機(jī)的模型和其控制策略在后續(xù)的研究可以繼續(xù)調(diào)整。

(2)風(fēng)力機(jī)特性的模擬。根據(jù)貝茲理論，風(fēng)機(jī)實(shí)際得到的功率與風(fēng)速的3次方有關(guān)。在風(fēng)速ν下運(yùn)行時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)捕獲的風(fēng)能為

式中:ρ為空氣密度;R為風(fēng)輪葉片半徑;Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，反映了風(fēng)機(jī)利用風(fēng)能的效率;Cp是葉尖速比λ和漿距角β的函數(shù)，

ωT為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度，

本系統(tǒng)初步設(shè)定了一個(gè)固定的風(fēng)力模型用于驗(yàn)證系統(tǒng)基本運(yùn)行效果，本文模擬的風(fēng)力機(jī)速度轉(zhuǎn)矩模型:

式中:T*為軸承上的轉(zhuǎn)矩，即轉(zhuǎn)矩給定/額定轉(zhuǎn)矩Tm;n為軸的轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)中，n變化0～750 r/min。

在轉(zhuǎn)矩正常情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)換算得到的風(fēng)力機(jī)的功率為

風(fēng)力機(jī)期望的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速和功率-轉(zhuǎn)速特性曲線以及實(shí)時(shí)運(yùn)行工作點(diǎn)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)表明，調(diào)整四象限變頻器電機(jī)側(cè)的頻率和電壓，工作點(diǎn)便沿著風(fēng)機(jī)的特性曲線變動(dòng)，表明系統(tǒng)工作符合期望，可以承擔(dān)后續(xù)研究任務(wù)。適當(dāng)調(diào)整工作點(diǎn)，可使風(fēng)機(jī)處于最大功率點(diǎn)。

圖3 上位機(jī)監(jiān)視界面

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)調(diào)速觀察回饋的功率，符合理想的規(guī)律，最大功率點(diǎn)在500 r/min左右，四象限變頻器面板顯示回饋的功率在24%左右，即回饋功率在0.72 kW左右。由于一定的技術(shù)原因，還未能實(shí)現(xiàn)四象限變頻器和PLC的總線通信，四象限變頻器實(shí)際回饋給電網(wǎng)的功率數(shù)值只能通過(guò)變頻器的面板讀取，不能夠?qū)⑺杏杏玫臄?shù)據(jù)統(tǒng)一傳遞給主控系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理分析。

由于本文的工作重點(diǎn)在于全功率異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，后續(xù)研究可以通過(guò)改變速度轉(zhuǎn)矩?fù)Q算的公式，模擬實(shí)際情況下風(fēng)速的變化，進(jìn)行各種控制算法性能的探索。平臺(tái)目前為止還只能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)尋找最大功率點(diǎn)，后續(xù)還可以進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤最大功率點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)。

［1］吳盛軍.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京:南京理工大學(xué)，2013.

［2］劉吉斯.基于異步電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電模擬品太研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2012.

［3］孟 明，靖 言，李和明.風(fēng)電多元化應(yīng)用及其相關(guān)技術(shù)［J］.電極與控制應(yīng)用，2011，38(3):1-11.

MENG Ming，Jing Yan，LI He-ming.Pluralized application of wind power and its technology development［J］.Electric Machines ＆Control Application［J］.2011，38(3):1-11.

［4］孟 悅.風(fēng)電軸承試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2011.

［5］陳毅東，楊育林，王立喬，等.風(fēng)力發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)及仿真［J］.高電壓技術(shù)，2010，36(5):1322-1326.

CHEN Yi-dong，YANG Yu-ling，WANG Li-qiao，et al.Maximum power Point tracking technology and simulation analysis for wind power generation［J］.High Voltage Engineering，2010，36(5):1322-1326.

［6］楊中倉(cāng)，金葆文.四象限變頻器在水泵中的應(yīng)用及與DCS系統(tǒng)通訊［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2011，7(23):5779-5790.

YANG Zhong-cang，JIN Bao-wen.Four-quadrant frequency converter in the pump in the application and communicate with the DCS system［J］.Computer Knowledge and Technology，2011，7(23):5779-5790.

［7］康忠健，辛士郎，仲崇山，等.雙饋風(fēng)電場(chǎng)穿透功率增加對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定影響綜述［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(11):94-99.

KANG Zhong-jian，XIN Shi-lang，ZHONG Chong-shan，et al.Impact of ride-through power increase of DFIG-based wind farm on power system stability［J］.Electrical Power Automation Equipment，2011，31(11):94-99.

［8］王 斌，吳 焱，丁 宏，等.風(fēng)電主控系統(tǒng)和變頻系統(tǒng)的一種半物理試驗(yàn)方案［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(10):117-120.

WANG bing，WU Yan，DING hong，et al.Semi-physical test of wind turbine master control system and inverter system［J］.Electrical Power Automation Equipment，2011，31(10):117-120.

［9］朱 飛，洪榮晶，陳 捷，等.基于PLC的風(fēng)電回轉(zhuǎn)支承實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(4):188-190.

ZHU Fei，HONG Rong-jing，CHEN Jie，et al.Design of testing table control system used for wind power slewing bearing based on PLC［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2011(4):188-190.

［10］陳 寧，于繼來(lái).基于電氣剖分信息的風(fēng)電系統(tǒng)有功調(diào)度與控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(16):51-57.

CHEN Ning，YU Ji-lai.Active power dispatch and regulation of wind power system based on electrical dissecting information of electric power network［J］.Proceedings of the CSEE，2008，28(16):51-57.

［11］鄧文浪，陳智勇，段 斌.提高雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)故障穿越能力的控制策略［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14(12):15-22.

DENG Wen-lan，CHEN Zhi-yong，DUAN Bin.Control strategy improved doubly——fed wind-power fault ride-through for generation system［J］.Electric Machines and Control，2010，14(12):15-22.

［12］費(fèi) 智，符 平.我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的態(tài)勢(shì)分析與對(duì)策建議［J］.科技進(jìn)步與對(duì)策，2011，28(10):65-68.

FEI Zhi，F(xiàn)u Pin.The Status quo and future policy of China’s wind power development［J］.Science ＆ Technology Progress and Policy，2011，28(10):65-68.

［13］李 麗，葉 林.基于改進(jìn)持續(xù)法的短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(12):182-187.

LI Li，YE Lin.Short-term wind power forecasting based on an improved persistence approach［J］.Transactions of the CSAE，2010，26(12):182-187.

［14］李俊芳，張步涵，謝光龍，等.基于灰色模型的風(fēng)速一風(fēng)電功率預(yù)測(cè)研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(19):151-159.

LI Jun-fang，ZHANG，Bu-han，XIE Guang-long.Grey predictor models for wind speed-wind power prediction［J］.Power System Protection and Control，2010，38(19):151-159.

［15］方江曉，周 暉，黃 梅.基于統(tǒng)計(jì)聚類(lèi)分析的短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(11):67-78.

FANG Jiang-xiao，ZHOU Hui，HUANG Mei.Short-term wind power prediction Based on statistical clustering analysis［J］.Power System Protection and Control，2011，39(11):67-78.

［16］劉臣賓，夏彥輝，常東旭.基于GPRS的風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30(7):104-108.

LIU Cheng-bin， XIA Yan-hui， CHANG Dong-xu. Wide-area protection and control system basedon GPRS［J］.Electrical Power Automation Equipment，2010，30(7):104-108.

［17］石可重，楊 科，徐建中，等.基于非線性有限元法的風(fēng)電葉片動(dòng)態(tài)頻率研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2011，32(3):318-322.

Shi Ke-zhong，Yang Ke，Xu Jiamhong，et al.Research on wind blade dynamic frequency with no-linear FEA［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2011，32(3):318-322.

［18］謝 震.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電模擬平臺(tái)的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2005.