王俊凱, 黃　偉, 張新偉

(1.上海電力學(xué)院, 上海　200090; 2.烏魯木齊供電公司, 新疆 烏魯木齊　830011)

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基于最大功率追蹤的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

王俊凱1, 黃偉1, 張新偉2

(1.上海電力學(xué)院, 上海200090; 2.烏魯木齊供電公司, 新疆 烏魯木齊830011)

摘要:根據(jù)風(fēng)力渦輪機(jī)的工作原理及風(fēng)電控制系統(tǒng)的特點(diǎn),構(gòu)建了以雙饋感應(yīng)電機(jī)為對象的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),為克服大風(fēng)擾動(dòng)對風(fēng)電機(jī)組有功功率的影響,提出了采用融合最大功率追蹤算法和直接轉(zhuǎn)矩控制算法的控制策略,以提高功率控制的平穩(wěn)性.以某風(fēng)場1.5 MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)為參照,搭建機(jī)組的Matlab仿真模型,對不同風(fēng)速擾動(dòng)下的機(jī)組功率控制進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制策略的可行性和有效性.

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電; 直接轉(zhuǎn)矩控制; 最大功率追蹤

風(fēng)力發(fā)電污染小、成本低,是當(dāng)今世界最具發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)之一.在風(fēng)電行業(yè)快速發(fā)展的大趨勢下,雙饋式風(fēng)機(jī)以其優(yōu)異的性能得到了廣泛的應(yīng)用[1],變速恒頻雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已成為大型風(fēng)電場的主流機(jī)型.

最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)是目前變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常采用的一種控制策略.實(shí)現(xiàn)MPPT包括風(fēng)速信號和功率信號控制兩種主要方法.實(shí)時(shí)測量風(fēng)速、風(fēng)向存在滯后現(xiàn)象,因此基于風(fēng)速信號的控制辦法已較少采用.而基于功率信號的控制策略,在減小風(fēng)力機(jī)功率特性和測量風(fēng)速裝置對控制的影響方面具有明顯的優(yōu)勢[2-3].在電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè),常用的有矢量控制法和直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control,DTC)法.對于并網(wǎng)型機(jī)組,大部分文獻(xiàn)中均采用定子磁場定向的矢量控制策略,把坐標(biāo)系d軸與雙饋感應(yīng)電機(jī)(Double-fed Induction Generator,DFIG)的定子氣隙磁場矢量疊合,推導(dǎo)出定子氣隙磁場定向的DFIG穩(wěn)態(tài)下有功、無功解耦的勵(lì)磁調(diào)節(jié)模型.但由于矢量控制的魯棒性較差以及矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性,造成理論分析的結(jié)果與實(shí)際的控制效果有較大偏差,這是矢量控制技術(shù)存在的缺陷.而DTC具有魯棒性強(qiáng)、轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、控制結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[4].本文將DTC與MPPT相結(jié)合實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制,采用圓形直接轉(zhuǎn)矩控制策略建立發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng),以避開復(fù)雜算法所帶來的局限性,同時(shí)選擇動(dòng)態(tài)特性良好的功率閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤.

1風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性

根據(jù)風(fēng)力渦輪機(jī)的功率特性和轉(zhuǎn)矩特性,其捕獲的風(fēng)能為[5]:

(1)

式中:ρ——空氣密度;

A——葉片掃掠面積;

Vω——上游風(fēng)速;

Cp(λ,β)——風(fēng)能利用系數(shù);

λ——葉尖速比;

β——槳距角.

葉尖速比λ為風(fēng)輪葉片的葉尖線速度與上游風(fēng)速之比,其表達(dá)式為:

(2)

式中:ωm——風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度;

R——風(fēng)輪半徑.

依據(jù)Betz理論,風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ,β)為:

式中:

(4)

由該系數(shù)與其變量間的函數(shù)關(guān)系可知,在相同的葉尖速比下,當(dāng)槳距角為零時(shí),風(fēng)能利用系數(shù)具有最大值;當(dāng)槳距角變大時(shí),風(fēng)能利用系數(shù)值隨之減小.因此,通過調(diào)節(jié)槳距角的大小,控制風(fēng)輪對風(fēng)能的捕獲,便能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)電機(jī)輸出功率的控制.

2最大功率追蹤控制

圖1為風(fēng)機(jī)捕獲風(fēng)能后輸出的機(jī)械功率Pω與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速S的關(guān)系.由圖1可知,不同風(fēng)速Vω下每條功率曲線都有一個(gè)最大功率點(diǎn)與相應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)對應(yīng).每一個(gè)風(fēng)況下的最大功率點(diǎn)所連成的曲線便是風(fēng)機(jī)的最大功率曲線Popt.最大功率追蹤控制的目的就是始終使風(fēng)力機(jī)在這條曲線上運(yùn)行[6-7].

圖1　風(fēng)力機(jī)功率特性曲線

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般運(yùn)行在5 種工況下,即起動(dòng)區(qū)、最大風(fēng)能追蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)、恒功率區(qū)、停機(jī)區(qū).在起動(dòng)區(qū)、最大風(fēng)能追蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū),槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以看作采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值ωrref與發(fā)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速ωr差值經(jīng)過PI控制器的運(yùn)算,輸出的槳距角信號為:

(5)

式中:Kp1——轉(zhuǎn)速比例調(diào)節(jié)系數(shù);

Ki1——轉(zhuǎn)速積分調(diào)節(jié)系數(shù).

當(dāng)實(shí)測風(fēng)速大于額定風(fēng)速且發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí),由于槳距角調(diào)節(jié)速率的限制,輸出功率會(huì)超出額定功率,只通過轉(zhuǎn)速控制來調(diào)節(jié)槳距角,系統(tǒng)控制響應(yīng)會(huì)過慢.

本文主要針對風(fēng)機(jī)進(jìn)入恒功率區(qū)時(shí)進(jìn)行最大功率追蹤控制.在這一區(qū)域,槳距角的調(diào)節(jié)值由發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)功率Pmeas與額定功率Pmref的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得出,其表達(dá)式為:

(6)

式中:Kp2——功率比例調(diào)節(jié)系數(shù);

Ki2——功率積分調(diào)節(jié)系數(shù).

通過快速地調(diào)節(jié)漿距角來改變風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,將機(jī)械功率的輸出限制在允許的范圍內(nèi),使發(fā)電機(jī)在保持傳動(dòng)系統(tǒng)良好柔性的基礎(chǔ)上更加穩(wěn)定地工作.根據(jù)式(6)得到基于槳距角控制的機(jī)組最大功率追蹤控制原理框圖如圖2所示.

圖2　風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳距角控制原理示意

3雙饋電機(jī)模型及直接轉(zhuǎn)矩控制策略

由于雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型在兩相靜止坐標(biāo)系α-β中的變量是交流量,無法像直流電機(jī)一樣進(jìn)行控制.因此,需將α-β坐標(biāo)系變量變換到以同步角速度ωs旋轉(zhuǎn)的d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,雙饋電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電壓方程為[8-9]:

(7)

(8)

(9)

(10)

磁鏈方程為:

(11)

(12)

(13)

(14)

式中:Ls——定子電感;

Lr——轉(zhuǎn)子電感;

M——定轉(zhuǎn)子互感.

(15)

(16)

式中:Lls——定子漏感;

Llr——轉(zhuǎn)子漏感.

雙饋電機(jī)發(fā)電時(shí),其負(fù)載轉(zhuǎn)矩跟隨風(fēng)輪上游的風(fēng)速變化而變化.因此,如何控制機(jī)組運(yùn)行在穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速下,實(shí)時(shí)跟蹤電磁轉(zhuǎn)矩,對于機(jī)組的工作效率以及應(yīng)變機(jī)械轉(zhuǎn)矩的變化至關(guān)重要.直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理就是通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)脈沖寬度調(diào)制逆變器輸出的空間電壓矢量,使轉(zhuǎn)子磁鏈沿著圓形軌跡運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié).

采用電壓-電流模型來觀測轉(zhuǎn)子磁鏈[8-9],其表達(dá)式為:

(17)

(18)

(19)

電磁轉(zhuǎn)矩的估算表達(dá)式為:

(20)

式中:σ——定轉(zhuǎn)子繞組互感系數(shù);

p——電機(jī)極對數(shù)；

γ——定轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角.

控制空間電壓矢量,需要設(shè)置兩個(gè)滯環(huán)比較器來分別調(diào)節(jié)磁鏈的幅值和角度,滯環(huán)比較器輸出結(jié)果后通過查表選擇相應(yīng)的矢量,并由逆變器將它們施加在轉(zhuǎn)子側(cè),完成對轉(zhuǎn)子磁鏈的調(diào)節(jié)[10].

電壓型逆變器含8組開關(guān)變量,與7種電壓狀態(tài)相對應(yīng),用Ur來表示.其中2種零電壓矢量(000)和(111)對應(yīng)一個(gè)電壓狀態(tài).剩下6種矢量在空間的位置兩兩間隔60°,其電壓矢量的分布如圖3所示.

磁鏈滯環(huán)比較器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器與磁鏈區(qū)間選擇器的選擇結(jié)果,決定逆變器輸出的空間電壓矢量,選擇規(guī)則見表1.

根據(jù)上述原理,搭建基于最大功率追蹤的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真系統(tǒng)如圖4所示.

圖3　空間電壓矢量分布

φτθ(1)θ(2)θ(3)θ(4)θ(5)θ(6)11Ur2(110)Ur3(010)Ur4(011)Ur5(001)Ur6(101)Ur1(100)0Ur6(101)Ur1(100)Ur2(110)Ur3(010)Ur4(011)Ur5(001)01Ur3(010)Ur4(011)Ur5(001)Ur6(101)Ur1(100)Ur2(110)0Ur5(001)Ur6(101)Ur1(100)Ur2(110)Ur3(010)Ur4(011)

注:φ—磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出狀態(tài)量;τ—轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出狀態(tài)量;θ—轉(zhuǎn)子磁鏈區(qū)間狀態(tài)量.

圖4　基于最大功率追蹤的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)距控制仿真系統(tǒng)

4系統(tǒng)仿真及分析

以某風(fēng)電場中1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為參照構(gòu)建仿真系統(tǒng),該雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如下:風(fēng)輪半徑為30.66 m,齒輪箱變比為97∶1,空氣密度為1.22 kg/m3,額定功率為1.5 MW,定子電壓為690 V,定子電阻為0.002 3 Ω,轉(zhuǎn)子電阻為0.002 Ω,定子電感為0.002 93 H,轉(zhuǎn)子電感為0.002 97 H,互感為0.002 88 H,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為18.7 kg·m2.

4.1風(fēng)速模型

首先，按照陣風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)、基本風(fēng)的特點(diǎn)搭建風(fēng)速模型.基本風(fēng)速設(shè)為10.72 m/s,0.32 s時(shí)加入4.5 m/s的陣風(fēng)擾動(dòng),0.75 s時(shí)基本風(fēng)速階躍至6 m/s,0.82 s時(shí)陣風(fēng)擾動(dòng)消失,風(fēng)速變化的波形如圖5所示.

圖5　風(fēng)速曲線

4.2常規(guī)DTC算法的仿真及分析

對該1.5 MW雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用直接轉(zhuǎn)矩控制策略,其轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡的變化如圖6所示.其中,ψx,ψy分別為轉(zhuǎn)子磁鏈在x軸、y軸上的分量.此時(shí),轉(zhuǎn)子磁鏈的軌跡近似圓形,圖6中參考磁鏈幅值(即圖中較粗的線段)自仿真起始終為0.8 Wb.轉(zhuǎn)子磁鏈實(shí)際值迅速達(dá)到參考給定值0.8 Wb,吻合效果較好.

圖6　轉(zhuǎn)子磁鏈變化

將DTC算法進(jìn)一步用于該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率控制,可得到圖7所示的輸出曲線.

圖7　DTC控制的機(jī)組有功功率曲線

由圖7可以看出,對于隨機(jī)風(fēng)的擾動(dòng),DTC算法能使機(jī)組獲得穩(wěn)定的有功功率.但當(dāng)風(fēng)速超過12 m/s且有陣風(fēng)擾動(dòng)時(shí),機(jī)組會(huì)跟隨風(fēng)速的變化而變化,導(dǎo)致有功輸出超出額定功率,這會(huì)引起發(fā)電機(jī)溫度過高,機(jī)組電氣特性改變,并且縮短機(jī)組的使用壽命.因此,采用單純的DTC還存在不足之處.

4.3融合MPPT與DTC的控制方案

將DTC與MPPT兩種算法融合在一起,采用變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對功率的快速響應(yīng),可得到如圖8所示的響應(yīng)曲線.

對比圖7和圖8a可見,與常規(guī)DTC相比,融合MPPT與DTC的控制方案可使機(jī)組的有功功率以更小的幅值波動(dòng),并最終穩(wěn)定在額定功率以下運(yùn)轉(zhuǎn).圖8b所示的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線表明,此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩能快速響應(yīng)風(fēng)速的變化,脈動(dòng)較小,系統(tǒng)的控制品質(zhì)得到了較大改善.

圖8　融合MPPT與DTC的控制響應(yīng)曲線

5結(jié)語

在變速恒頻雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中采用融合最大功率追蹤和直接轉(zhuǎn)矩控制的控制策略,可避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在進(jìn)行最大功率追蹤時(shí)因風(fēng)速難以實(shí)時(shí)精確測量而造成的控制質(zhì)量下降,同時(shí)還可解決矢量控制過分依賴機(jī)組參數(shù)、計(jì)算模型復(fù)雜等問題.在超過額定風(fēng)速時(shí),基于最大功率追蹤直接轉(zhuǎn)矩控制對于穩(wěn)定風(fēng)電機(jī)組輸出功率、減小功率和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)取得了良好的控制效果,有效地保障了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行.

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(編輯桂金星)

Direct Torque Control of a Doubly-fed Induction Generator of Wind Turbine Based on Maximum Power Extraction

WANG Junkai1, HUANG Wei1, ZHANG Xinwei2

(1. Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China;2. Urumqi Power Supply Company, Wulumuqi830011, China)

Abstract:According to the principle of wind turbine and the characteristics of control system for wind power conversion, a variable speed constant frequency wind power system with doubly-fed induction generator is constructed.A control strategy which combines the maximum power point tracking algorithm with DTC is presented, overcoming the influence of strong wind disturbance on the active power of the unit and increase the stability of power control. Based on the 1.5 MW doubly-fed wind generator of a wind farm, its Matlabmodel is built, the simulation of the power control under different wind speed is carried out, the result verifies the feasibility and effectiveness of the method.

Key words:wind power generation; direct torque control; maximum power point tracking

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.02.002

收稿日期：2015-08-29

作者簡介：通訊王俊凱(1991-),男,在讀碩士,河北張家口人.主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電技術(shù).E-mail:black_steel@sina.com.

中圖分類號：TK8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-4729(2016)02-0109-06