考慮損耗功率的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤控制

李濱，李嵐

(太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原030024)

摘要：對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)傳統(tǒng)功率曲線反饋控制方法作出改進(jìn)，提出考慮損耗功率的最大風(fēng)能跟蹤控制策略。此方法通過MATLAB/Simulink建立精確的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，并搭建考慮了銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗及雜散損耗的控制模型。經(jīng)過仿真，驗證了優(yōu)化后控制策略的正確性。

關(guān)鍵詞：雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)； 最大功率點(diǎn)跟蹤； 損耗功率； 功率控制優(yōu)化

通訊作者:李濱

中圖分類號：TM 614文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

收稿日期:2015-02-09

Maximum Power Point Tracking Control for Doubly-Fed Wind

Energy Conversion Systems Considering Loss Power

LIBin，LILan

(School of Electrical and Power Engineering， Taiyuan University of Technoloy, Taiyuan 030024, China)

Abstract：In order to optimize the traditional power curve feedback control method, a maximum power point tracking control strategy considering loss power for doubly-fed wind energy conversion systems based on doubly-fed wind power generation was system prosed. This method built a precise model of doubly-fed wind power generator by MATLAB/Simulink and set up control model considering copper loss, iron loss, mechanical loss and stray loss. The simulation results verified the accuracy of the optimized control strategy.

Key words： doubly-fed wind energy conversion systems; maximum power point tracking(MPPT); loss power; optimization of power control system

0引言

隨著傳統(tǒng)能源的匱乏，風(fēng)力發(fā)電得以迅猛發(fā)展，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)以其造價低、變頻器容量小、有功無功可解耦控制等優(yōu)點(diǎn)成為風(fēng)力發(fā)電的主流發(fā)電機(jī)。對于雙饋機(jī)組的最大功率點(diǎn)跟蹤控制(Maximum Power Point Tracking， MPPT)，各國學(xué)者做了很多研究。目前運(yùn)行中的風(fēng)電場主要采用功率曲線反饋法的控制策略，然而實(shí)際運(yùn)行中其實(shí)際發(fā)出的功率總在理想功率曲線以下且偏差較大。本文基于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，分析研究了風(fēng)力機(jī)與雙饋發(fā)電機(jī)在最大風(fēng)能跟蹤時的功率曲線，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的曲線要高于雙饋電機(jī)發(fā)出的功率。這是由于風(fēng)電機(jī)組存在功率損耗，且隨著風(fēng)速變化功率損耗值也發(fā)生改變。如果以風(fēng)力機(jī)的最大功率曲線來控制雙饋發(fā)電機(jī)，必將導(dǎo)致不能準(zhǔn)確地給定發(fā)電機(jī)的最大功率參考值，影響風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲率。針對此問題，本文提出了考慮損耗功率的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤控制策略。

1最大風(fēng)能捕獲的基本理論

1.1風(fēng)力機(jī)模型

根據(jù)空氣動力學(xué)，風(fēng)力機(jī)的輸入功率可表達(dá)為

(1)

式中:ρ——空氣密度；

Sw——風(fēng)力機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積；

v——進(jìn)入風(fēng)力機(jī)掃掠面之前的空氣流速。

由于通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能并非全部都能被風(fēng)力機(jī)吸收，故可定義風(fēng)能利用系數(shù)Cp來表征風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的能力：

(2)

(3)

(4)

式中：β——槳距角(小于額定風(fēng)速時為0)；

λ——葉尖速比；

ω——風(fēng)輪角速度；

R——風(fēng)輪半徑。

這樣風(fēng)力機(jī)的輸出功率為

(5)

1.2功率曲線法的最大風(fēng)能捕獲原理

由式(2)、式(3)可得Cp與λ的關(guān)系，如圖1所示。

圖1　風(fēng)力機(jī)C p-λ曲線

當(dāng)槳距角不變時，風(fēng)能利用系數(shù)Cp僅與葉尖速比λ有關(guān)。由式(4)可知，當(dāng)風(fēng)速變化時只需調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω，使λ保持在最佳值λopt，就可使得Cp保持在最大值Cpmax，使風(fēng)輪捕獲最大的風(fēng)能。

將不同風(fēng)速代入式(5)，可得在不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率的曲線，將輸出功率的最大值連接起來，就形成一條最佳功率轉(zhuǎn)速Pmax-ω曲線，如圖2所示。在此條曲線上的Cp為最大值。

圖2　最佳功率轉(zhuǎn)速P max-ω曲線

由于實(shí)際運(yùn)行中風(fēng)速較難準(zhǔn)確檢測，無法直接給出與之相對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速指令，故一般不直接采取轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，而是控制從風(fēng)力機(jī)軸上吸收的機(jī)械功率，以此實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的間接控制。這種控制方式不以轉(zhuǎn)速為直接目標(biāo)，而是通過最佳功率曲線獲得最佳轉(zhuǎn)速和最佳葉尖速比為最終目的。

將式(4)代入式(5)得

(6)

1.3功率參考值的計算

(7)

式中：s——雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

2損耗的存在對最大風(fēng)能捕獲的影響與改進(jìn)方法

2.1損耗對最大風(fēng)能捕獲的影響

在實(shí)際運(yùn)行時，由于風(fēng)電機(jī)組存在功率損耗，且隨著風(fēng)速變化功率損耗值也發(fā)生改變，導(dǎo)致控制方法實(shí)際應(yīng)用時不能準(zhǔn)確地給定最大功率參考值，影響風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲率。

在圖3中，設(shè)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在A點(diǎn)，此時發(fā)電機(jī)機(jī)端輸出功率為PoA，功率損耗為Ploss，則風(fēng)力機(jī)輸出功率Popt=PoA+Ploss，因此風(fēng)力機(jī)實(shí)際運(yùn)行在B點(diǎn)。運(yùn)行控制并不檢測風(fēng)速，此時發(fā)電機(jī)默認(rèn)的風(fēng)速為v3，并工作在其最大功率點(diǎn)上，但實(shí)際風(fēng)速為v4，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)不能運(yùn)行在風(fēng)速為v4的最大功率點(diǎn)上。以此分析，在設(shè)定好最佳功率曲線后，控制發(fā)電機(jī)運(yùn)行在此條曲線上，由于功率損耗的存在，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)并不能同時都工作在最佳功率曲線上。因為風(fēng)電機(jī)組是通過檢測發(fā)電機(jī)狀態(tài)來間接控制風(fēng)力機(jī)的，就導(dǎo)致發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最佳功率曲線b上，而風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在偏離最佳功率曲線的曲線a上，如圖3所示。只有使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳功率曲線上才能捕獲最大的風(fēng)能，所以損耗的存在導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)不能捕獲最大風(fēng)能。

圖3　不考慮功率損耗的風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線

2.2改進(jìn)方法

使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳功率曲線上，必須考慮功率損耗對控制方法的影響。若在給定發(fā)電機(jī)參考功率時減掉合適的損耗功率Ploss，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在圖4中b曲線上，則風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最大功率曲線a上。

圖4　考慮功率損耗的風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)運(yùn)行曲線

準(zhǔn)確地計算損耗功率Ploss是解決問題的關(guān)鍵。由于雙饋電機(jī)鐵耗主要產(chǎn)生于定子鐵心中，則雙饋電機(jī)定子給定有功功率參考值應(yīng)修改為式(8)，無功功率參考值不變。

(8)

式中：Pms——機(jī)械損耗與雜散損耗之和；

PCus——定子銅耗；

PFe——鐵耗。

電機(jī)的機(jī)械損耗與雜散損耗之和Pms取50W。

定子銅耗計算模型為

(9)

式中：Is——定子電流；

Rs——定子電阻。

鐵耗計算模型為

(10)

式中：RFe——等效鐵耗電阻；

IFe——等效鐵耗電阻電流。

3考慮損耗功率的發(fā)電機(jī)模型

若將功率損耗考慮到發(fā)電機(jī)的控制策略中，必須建立雙饋電機(jī)的精確模型。雙饋電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系下的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖5所示。

圖5　d、q軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙饋發(fā)電機(jī)等效電路

其數(shù)學(xué)模型如下。

電流方程：

(11)

式中：idm、iqm、ids、iqs、idr、iqr——勵磁電流、定子電流、轉(zhuǎn)子電流在d、q軸的分量；

idFe、iqFe——等效鐵耗電阻RFe在d、q軸

上的電流分量。

磁鏈方程：

(12)

式中：ψds、ψqs、ψdr、ψqr——定、轉(zhuǎn)子在d、q軸上的磁鏈分量；

L1s、L1r——定、轉(zhuǎn)子漏感；

Lm——互感。

電壓方程：

(13)

式中：Uds、Uqs、Udr、Uqr——定、轉(zhuǎn)子在d、q軸上的電壓分量；

Rs、Rr、RFe——定子、轉(zhuǎn)子、等效鐵耗電阻；

p——微分算子；

ω1——同步速；

ωslip——轉(zhuǎn)差電角速度。

轉(zhuǎn)矩方程：

(14)

式中：Te——雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；

np——極對數(shù)。

4仿真研究

為了驗證本文提出思想的有效性，使其與不考慮功率損耗的功率曲線法的最大功率跟蹤效果作比較，采用風(fēng)力機(jī)模型及精確的雙饋發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型。風(fēng)力機(jī)與雙饋發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

給定風(fēng)速波形，如圖6所示。在1.25s有一個較大的風(fēng)速上升階躍，在此后的2.5s、3.75s處分別有一個較小的風(fēng)速下降階躍。

表1　風(fēng)電機(jī)組參數(shù)

圖6　風(fēng)速波形

采用不考慮損耗功率的功率反饋法，仿真波形如圖7所示。從圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)可看出其分別與轉(zhuǎn)速、風(fēng)能捕獲系數(shù)Cp、功率的理想曲線存在偏差，且隨著風(fēng)速的不同偏差大小不同，驗證了前文的分析結(jié)果。圖7(d)為發(fā)電機(jī)發(fā)出功率的曲線。

采用考慮損耗功率的功率反饋法，仿真波形如圖8所示。從圖8(a)～圖8(c)可看出其分別跟蹤轉(zhuǎn)速、風(fēng)能捕獲系數(shù)Cp、功率的理想曲線。與圖7(d)相比發(fā)出功率有明顯的增加。證明了此方法提高了風(fēng)能捕獲效率，實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能捕獲。

5結(jié)語

本文通過分析雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力機(jī)與雙饋發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤曲線的差異，提出了考慮損耗功率的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤的控制方法。此方法基于雙饋發(fā)電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確計算出參考功率，使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最大功率跟蹤曲線上，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲。為驗證此方法的有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了樣機(jī)仿真，并通過對考慮損耗功率的功率曲線反饋

圖7　不考慮損耗功率的仿真波形

圖8　考慮損耗功率的仿真波形

法與不考慮損耗功率的功率曲線法的仿真比較，驗證了本文思想的正確性，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組的最大風(fēng)能跟蹤。本方法對現(xiàn)有的風(fēng)電控制系統(tǒng)優(yōu)化具有指導(dǎo)性意義。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]賀益康,胡家兵,徐烈.并網(wǎng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制[M].北京： 中國電力出版社，2012.

[2]張云,孫力,吳鳳江，等.考慮鐵耗的感應(yīng)電機(jī)模型及對矢量控制的影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2007(4): 359-363.

[3]LEVI E, LAMINE A, CAVAGNINO A. Impact of stray load losses on vector control accuracy in current-fed induction motor drives[J]. Energy Conversion, IEEE Transactions on, 2006,21(2): 442-450.

[4]朱瑛,程明,花為,等.考慮損耗轉(zhuǎn)矩的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2013,33(19): 39-46.

[5]倪凱峰,楊文煥.考慮鐵耗的雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電最優(yōu)控制[J].電力電子技術(shù),2012,46(5): 42-44.

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