王 旭

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校，云南 昆明 650000)

隨著我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，建造了很多大規(guī)模的風(fēng)電場[1]，機(jī)型也逐漸向雙饋型和直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展，尤其是雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用中比較重要。目前，我國風(fēng)力發(fā)電的專業(yè)技術(shù)人員比較缺乏，為了培養(yǎng)更多風(fēng)力發(fā)電方面的技術(shù)人才，本文以MATLAB軟件為平臺，設(shè)計(jì)了雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真系統(tǒng)，期望為技術(shù)人才培訓(xùn)提供更加寬廣的平臺。

1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成

目前，在國內(nèi)外風(fēng)電市場上，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(DFIG)成為主流機(jī)型，主要由傳動系統(tǒng)、風(fēng)力機(jī)、雙PWM變頻器、雙饋異步發(fā)電機(jī)和塔架及機(jī)艙等構(gòu)成。它具有變頻器額定容量小和風(fēng)能利用率高等優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)力機(jī)通過風(fēng)獲得能量，將其轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，傳動系統(tǒng)對這些能量進(jìn)行傳遞，發(fā)電機(jī)接收并利用這些能量，將其轉(zhuǎn)化成電能，傳輸至電網(wǎng)[2]。發(fā)電機(jī)的定子和電網(wǎng)直接相連，轉(zhuǎn)子通過雙PWM變頻器和電網(wǎng)相連?？拷D(zhuǎn)子的變頻器被稱為轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器，網(wǎng)側(cè)變頻器和電網(wǎng)直接相連。雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)圖

雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速可以通過風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)超同步、同步及次同步發(fā)電運(yùn)行。機(jī)組通過雙PWM變頻器控制實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行。通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器，控制轉(zhuǎn)子勵磁電流幅值、相角及頻率，最終達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率和轉(zhuǎn)速的目的。網(wǎng)側(cè)變頻器為轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器提供充足能量，通過對其進(jìn)行控制，能使直流環(huán)節(jié)母線電壓保持穩(wěn)定[3]。

2 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制模型

2.1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的軸系模型

雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的軸系模型將發(fā)電機(jī)等效為一個質(zhì)量塊，齒輪箱和風(fēng)力機(jī)等效為另一個質(zhì)量塊，2個質(zhì)量塊的軸系模型如下：

(1)

(2)

(3)

式中，ωw t是風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，ωr是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；Tw t是風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Te是發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；Hw t是風(fēng)力機(jī)慣性時間常數(shù)，Hg是發(fā)電機(jī)慣性時間常數(shù)；Ds是阻尼系數(shù)；Ks是軸的剛度系數(shù)；ωs是同步轉(zhuǎn)速，θs是2個質(zhì)量塊之間的相對角位移。

2.2 變槳距控制系統(tǒng)模型

在變槳距系統(tǒng)中，伺服電動機(jī)為直流電動機(jī)，驅(qū)動器對直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。在建模時，對驅(qū)動器和直流電動機(jī)進(jìn)行等效，將其看成伺服電動機(jī)(內(nèi)部含有轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制)，等效之后，由于轉(zhuǎn)矩信號對伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，所以應(yīng)對轉(zhuǎn)矩信號進(jìn)行控制。等效伺服電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下：

(4)

式中，T是直流電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；Tmax是直流電動機(jī)最大轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩輸出值；Tnmax是直流電動機(jī)最小轉(zhuǎn)速對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩輸出值；nmax是直流電動機(jī)最大轉(zhuǎn)速；n是直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速。

變槳距系統(tǒng)傳動部分的數(shù)學(xué)模型建立時，將伺服電動機(jī)和減速機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量一起等效如下：

(5)

式中，JPD是伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)子與減速機(jī)的總轉(zhuǎn)動慣量；β是葉片槳距角；Te是伺服電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；JRB是葉片轉(zhuǎn)動慣量；βe是伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度；TZB是葉片上變槳力矩；k是等效剛度系數(shù)；Tm是回轉(zhuǎn)支承內(nèi)環(huán)大齒上減速機(jī)小齒輪的作用轉(zhuǎn)矩；N=NPD·NPB，其中NPB是減速機(jī)小齒輪與回轉(zhuǎn)支承內(nèi)環(huán)大齒輪的半徑比，NPD是減速機(jī)的傳動比；D是等效阻尼系數(shù)。

變槳系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要包括速度控制器、轉(zhuǎn)速控制器及位置控制器等各種控制器，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ω的實(shí)際值和參考值ωref之間存在差值，轉(zhuǎn)速控制器根據(jù)此差值產(chǎn)生葉片變槳角度參考值βref；位置控制器根據(jù)實(shí)際槳距角β與參考值βref的差值生成變槳速率參考值νref；實(shí)際變槳速率ν與變槳速率參考值νref存在差值，根據(jù)此差值速度控制器產(chǎn)生伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號，以轉(zhuǎn)矩信號為驅(qū)動力，伺服電動機(jī)驅(qū)動葉片和減速機(jī)使槳距角發(fā)生改變。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

2.3 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)子側(cè)電流的控制是通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子側(cè)電壓d、q軸分量進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的無功功率和有功功率的解耦控制[4]。

(6)

圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制有功功率框圖

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制無功功率框圖

(7)

式6和式7中，uDC是變流器直流側(cè)電壓；urq_crl和urd_crl是變流器控制變量脈沖調(diào)制系數(shù)；isd是定子電流d軸分量；isq是定子電流q軸分量；ird是轉(zhuǎn)子電流d軸分量；irq是轉(zhuǎn)子電流q軸分量；Lr是轉(zhuǎn)子自感；Lm是定、轉(zhuǎn)子互感；ωs是同步速；Rr是轉(zhuǎn)子電阻；s是轉(zhuǎn)差率。

2.4 電網(wǎng)側(cè)控制模型

電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)有2方面作用：1)控制轉(zhuǎn)子側(cè)并網(wǎng)無功功率的大小和方向；2)控制變流器直流側(cè)電壓維持在額定值。電流控制模塊是電網(wǎng)側(cè)控制系統(tǒng)的核心部分，電網(wǎng)側(cè)相應(yīng)信號傳輸?shù)酵瑯?gòu)測量模塊，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后將其傳輸?shù)诫娏骺刂颇K，再經(jīng)坐標(biāo)反變換輸出，最終對電網(wǎng)側(cè)逆變器進(jìn)行控制[5]。 電網(wǎng)側(cè)變流器控制也由解耦的2級閉環(huán)控制組成，如圖5和圖6所示。變流器和直流電壓發(fā)出的無功功率由外環(huán)進(jìn)行控制，產(chǎn)生電網(wǎng)側(cè)變流器的參考控制電流igcd_ref和igcq_ref。由于控制電網(wǎng)側(cè)變流器和主網(wǎng)的無功功率不進(jìn)行交換，因此可直接設(shè)置igcq_ref=0，圖6中沒有外環(huán)無功控制部分。ugcq_com與ugcd_com(補(bǔ)償電壓)、ugcd_ref與ugcq_ref(參考控制電壓的d、q軸分量)、ugcd_ref與ugcq_ref(脈沖調(diào)制系數(shù))，可分別按圖5、圖6、式8和式9求得。

圖5 電網(wǎng)側(cè)變流器控制直流電壓框圖

圖6 電網(wǎng)側(cè)變流器控制轉(zhuǎn)子側(cè)并網(wǎng)無功功率框圖

(8)

(9)

式中，Lci是轉(zhuǎn)子側(cè)耦合電感器電感值；Rci是轉(zhuǎn)子側(cè)耦合電感器的電阻值；usq是定子電壓的q軸分量；usd是定子電壓的d軸分量。

3 仿真系統(tǒng)分析

仿真系統(tǒng)的主要作用就是通過MATLAB軟件平臺得到雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制模型，對發(fā)電機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行分析，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，確保機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。由于仿真系統(tǒng)的模型運(yùn)行需要在主計(jì)算機(jī)中完成，所以要求該計(jì)算的配置應(yīng)較高，以保證系統(tǒng)的仿真結(jié)果。由于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要是實(shí)現(xiàn)主計(jì)算機(jī)和微機(jī)之間數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸，微機(jī)主要完成監(jiān)控主計(jì)算機(jī)上仿真系統(tǒng)的運(yùn)行界面的訪問，所以一般配置即可。MATLAB軟件負(fù)責(zé)仿真系統(tǒng)底層仿真模型的建立和運(yùn)行，只需在主計(jì)算機(jī)上安裝即可。

本文設(shè)計(jì)了雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型，通過設(shè)置相應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，得到不同的運(yùn)行結(jié)果，并對整個仿真過程進(jìn)行控制。風(fēng)速剛開始為8 m/s，在t=5 s時風(fēng)速突然增大至14 m/s。監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、風(fēng)速和槳矩角仿真圖如圖7所示。

圖7 發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、風(fēng)速和槳矩角仿真圖

4 結(jié)語

本文基于MATLAB軟件平臺，設(shè)計(jì)了雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各個組成部分的仿真模型，并在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對系統(tǒng)加強(qiáng)維護(hù)，及時完善系統(tǒng)功能，對于不足之后盡快改進(jìn)。由于我國的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展較快，而專業(yè)的技術(shù)人員有所欠缺，研究仿真系統(tǒng)可以滿足人員培養(yǎng)的需求，促進(jìn)我國風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展。

[1] 張麗英，葉廷路，辛耀中，等.大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的相關(guān)問題及措施[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(25):1-9.

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[3] 林今，孫元章，李國杰，等．采用變速恒頻機(jī)組的風(fēng)電場有功功率波動對系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)頻率影響的動態(tài)評估模型[J]．電力自動化設(shè)備,2010,30(2):14-18,32．

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*云南省教育廳科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(2013Y086)