包廣清,郭風(fēng)堂

(蘭州理工大學(xué),蘭州 730050)

0 引 言

目前，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組主要有雙饋異步型和永磁直驅(qū)型2種。這2種風(fēng)電機(jī)組都通過(guò)變流器與電網(wǎng)連接，其暫態(tài)過(guò)載能力、對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐能力和頻率穩(wěn)定的能力相對(duì)較弱，且輸出電壓波形畸變，電能質(zhì)量差。由于風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，解決上述2種常規(guī)風(fēng)電機(jī)組存在的這些問(wèn)題，變得尤為重要。前端調(diào)速型的同步風(fēng)力發(fā)電技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注。歐洲推出了液力變距調(diào)速的風(fēng)電機(jī)組[1]，液力變矩器與同步發(fā)電機(jī)相連，將齒輪傳遞的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為同步轉(zhuǎn)速。清華大學(xué)柴建云、陳基和等人則開(kāi)發(fā)了基于電磁耦合器調(diào)速的新型同步風(fēng)電機(jī)組[2-3]。電磁耦合器調(diào)速型的風(fēng)電機(jī)組采用的是與火電和水電相似的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)原理，即風(fēng)力機(jī)的調(diào)速裝置位于同步發(fā)電機(jī)前端，同步發(fā)電機(jī)定子側(cè)與電網(wǎng)直接相連，調(diào)速裝置負(fù)責(zé)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為同步轉(zhuǎn)速,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。電磁耦合器的傳動(dòng)是一種非接觸的柔性傳動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的無(wú)級(jí)調(diào)速，提高了機(jī)組的變速范圍和控制響應(yīng)速度；實(shí)現(xiàn)了能量的平穩(wěn)傳遞，避免了電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)矩對(duì)齒輪箱的損傷。電磁耦合器所用的變頻器功率容量小，控制簡(jiǎn)單。文獻(xiàn)[4-5]通過(guò)HAWC2和MATLAB的聯(lián)合仿真，研究了2 MW電磁耦合器調(diào)速風(fēng)電機(jī)組的故障穿越能力和頻率支持能力，并取得了滿意的效果。文獻(xiàn)[6]推導(dǎo)了電磁耦合器的等效電路，分析了電磁耦合器的能量關(guān)系。

圖1 前端調(diào)速型同步風(fēng)電機(jī)組原理圖

作為一種新型的前端調(diào)速風(fēng)電機(jī)組，關(guān)于該風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能追蹤的研究尚處于起步階段。研究該風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能追蹤特性可以充分地利用風(fēng)力資源，獲得更高產(chǎn)業(yè)效益，推進(jìn)該類型風(fēng)電機(jī)組的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化。

目前風(fēng)能跟蹤的控制方法主要有葉尖速比法、功率信號(hào)反饋法和爬山搜索法[7-8]。葉尖速比法控制簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，但需要實(shí)時(shí)地進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量。爬山搜索法不需要風(fēng)力機(jī)參數(shù)，但是由于風(fēng)機(jī)慣性的存在，使其只適用于小容量系統(tǒng)。功率信號(hào)反饋法不需要測(cè)量風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)該方法的難點(diǎn)在于最優(yōu)功率曲線難以獲得。

本文以電磁耦合器調(diào)速的同步風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象，在分析了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性和電磁耦合器的工作原理的基礎(chǔ)上，采用最優(yōu)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制方法，研究了額定風(fēng)速以下時(shí)，階躍和隨機(jī)風(fēng)況下電磁耦合器的調(diào)速特性和風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲特性，實(shí)現(xiàn)了不同風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和風(fēng)能有效追蹤。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型

基于電磁耦合器調(diào)速的風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)、電磁耦合器和同步發(fā)電機(jī)等組成，如圖2所示。其中前軸系包括風(fēng)力機(jī)、變速齒輪箱和電磁耦合器的內(nèi)轉(zhuǎn)子；后軸系包括同步發(fā)電機(jī)和電磁耦合器的外轉(zhuǎn)子。

圖2 電磁耦合器調(diào)速型風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性

根據(jù)風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)貝茨理論可知[9]，在一定風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能功率函數(shù)：

(1)

風(fēng)能利用系數(shù)CP(λ,β)的特性曲線，如圖3所示。當(dāng)槳距角一定時(shí)，僅存在一個(gè)最佳葉尖速比λopt，使得CP值最大，此時(shí)風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能最多。

圖3 風(fēng)能利用系數(shù)CP(λ,β)的特性曲線

基于電磁耦合器調(diào)速的風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行工況分為3種：最大風(fēng)能跟蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)和恒功率區(qū)，如圖4所示。

圖4 不同區(qū)域內(nèi)風(fēng)力機(jī)輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系

1.1.1 最大風(fēng)能跟蹤區(qū)

在此區(qū)間，風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速均低于額定值，β=0°。CP只與葉尖速比λ相關(guān)，在風(fēng)速改變的同時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之始終對(duì)應(yīng)于最佳葉尖速比λopt，保持風(fēng)能系數(shù)為CPmax。風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

(3)

式中：

(4)

1.1.2 恒轉(zhuǎn)速區(qū)

在此區(qū)間，風(fēng)力機(jī)和電磁耦合器均處于額定運(yùn)行狀態(tài)，但風(fēng)速低于額定風(fēng)速vN。采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，使電磁耦合器內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差為額定值。風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩:

(5)

1.1.3 恒功率區(qū)

在此區(qū)間，風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速vN，變槳機(jī)構(gòu)工作，通過(guò)改變槳距角β的大小，使風(fēng)力機(jī)的輸出功率穩(wěn)定在額定功率。此時(shí)，電磁耦合器的所需調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速差要小于額定值。風(fēng)力機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩：

(6)

1.2 電磁耦合器模型

電磁耦合器由內(nèi)、外2個(gè)轉(zhuǎn)子組成,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。鼠籠式內(nèi)轉(zhuǎn)子與齒輪箱相連，由變頻器供電的外轉(zhuǎn)子為通電電樞，與同步發(fā)電機(jī)相連。機(jī)組并網(wǎng)后，電磁耦合器的外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持一致，被電網(wǎng)頻率鎖定為一穩(wěn)定值。通過(guò)變頻器可以調(diào)節(jié)電磁耦合器內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差，改變內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最佳葉尖速比運(yùn)行。

圖5 電磁耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖

電磁耦合器在m-t坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程[10]：

(7)

轉(zhuǎn)差角頻率：

(8)

電磁轉(zhuǎn)矩：

(9)

2 最優(yōu)轉(zhuǎn)矩的控制策略

風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)機(jī)械特性曲線如圖6所示。通過(guò)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩給定的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以下的最佳功率運(yùn)行[11-12]。

圖6 風(fēng)力機(jī)最優(yōu)機(jī)械特性曲線

在最大風(fēng)能追蹤區(qū)電磁耦合器的內(nèi)外轉(zhuǎn)速差Δω會(huì)超過(guò)額定值Δωn，因此需采用弱磁控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。本文采用傳統(tǒng)的弱磁控制方法，即當(dāng)轉(zhuǎn)速差Δω超過(guò)額定轉(zhuǎn)速差Δωn時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)速成反比：

(10)

圖7 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的電磁耦合器控制結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)仿真研究

本文采用MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)不同風(fēng)況下電磁耦合器調(diào)速同步風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能跟蹤控制進(jìn)行仿真研究。

仿真所用風(fēng)力機(jī)的主要參數(shù)：PN=100 kW，vN=11 m/s,R=10 m,ωmN=60 r/min,風(fēng)速范圍為3～25 m/s,齒輪箱變比為22。電磁耦合器的參數(shù)：額定功率為15 kW，額定線電壓400 V，額定頻率18 Hz，外轉(zhuǎn)子漏感Ls1=1.04 mH和電阻r1=0.045 Ω,內(nèi)轉(zhuǎn)子漏感Ls2=1.623 mH和電阻r2=0.058Ω,互感Lm=50.1 mH,極對(duì)數(shù)p=6。λopt=8.1，CPmax=0.48。同步發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)：Pn=110 kW，額定線電壓UN=380 V，同步轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min ，額定功率因數(shù)為0.85。

3.1 風(fēng)能利用系數(shù)和輸出功率的變化

如圖8所示,風(fēng)速在t=0～1 s時(shí)為4 m/s，t=1～8 s時(shí)風(fēng)速?gòu)? m/s逐漸上升至11 m/s，t=8～11 s時(shí)風(fēng)速為11 m/s。從圖8(c)中可以看出，在最大風(fēng)能跟蹤區(qū)風(fēng)能利用系數(shù)CP=0.48，實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能跟蹤的目標(biāo)；風(fēng)速為8～11 m/s時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)CP逐漸減小，但風(fēng)力機(jī)的輸出功率持續(xù)增加，風(fēng)力機(jī)進(jìn)入恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)。

(a) 風(fēng)速變化曲線

(b) 風(fēng)力機(jī)輸出功率

(c) 風(fēng)能利用系數(shù)

3.2 階躍風(fēng)速下的仿真分析

最大風(fēng)能跟蹤區(qū)階躍風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組各部分的仿真波形如圖9～圖11所示。由圖可見(jiàn)，在風(fēng)速急劇增大和減小時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)矩隨之快速變化，前軸轉(zhuǎn)速即內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，快速地跟蹤風(fēng)速的變化以保持最大風(fēng)能捕獲的運(yùn)行狀態(tài)；風(fēng)能利用系數(shù)CP曲線發(fā)生較小波動(dòng)后能較快地恢復(fù)到穩(wěn)定值0.48，實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能跟蹤的目的。在此過(guò)程中，電磁耦合器外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速即后軸轉(zhuǎn)速始終穩(wěn)定在1 500 r/min,保證了同步發(fā)電機(jī)輸出電壓、電流頻率的穩(wěn)定性。從圖中還可看出，風(fēng)速穩(wěn)定時(shí)同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率要高于風(fēng)力機(jī)的輸出功率，說(shuō)明同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率分別來(lái)自于風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率和電磁耦合器的電功率，即電磁耦合器在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速差，傳遞轉(zhuǎn)矩的同時(shí)還能夠補(bǔ)償風(fēng)力機(jī)和同步發(fā)電機(jī)之間的功率差值。

(a) 階躍風(fēng)速

(b) 風(fēng)力機(jī)的輸出功率

(c) 風(fēng)力機(jī)經(jīng)齒輪箱輸出的轉(zhuǎn)矩

(d) 風(fēng)能利用系數(shù)

(a) 外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

(b) 內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

(c) 內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差

(a) 同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率

(b) 同步發(fā)電機(jī)輸出的三相電流

3.3 運(yùn)行工況改變時(shí)的仿真分析

風(fēng)速由7 m/s到9 m/s再到11 m/s時(shí)，風(fēng)力機(jī)從最大風(fēng)能追蹤區(qū)進(jìn)入到恒轉(zhuǎn)速區(qū)，仿真波形如圖12～圖14所示。當(dāng)風(fēng)速變化使得風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行區(qū)域發(fā)生變化時(shí)，電磁耦合器內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速快速地跟蹤風(fēng)速的變化，外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速雖然發(fā)生輕微波動(dòng)，但仍穩(wěn)定在1 500 r/min，使轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制之間平穩(wěn)過(guò)渡。風(fēng)力機(jī)進(jìn)入到恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)后，轉(zhuǎn)速差為額定值150 r/min,內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 350 r/min。在恒轉(zhuǎn)速區(qū)，風(fēng)速發(fā)生階躍變化時(shí)，電磁耦合器的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速都保持在額定值。風(fēng)速增加時(shí)，CP值減小，但風(fēng)力機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)矩增加。

(a) 階躍風(fēng)速

(b) 風(fēng)力機(jī)的輸出功率

(c) 風(fēng)力機(jī)經(jīng)齒輪箱輸出的轉(zhuǎn)矩

(d) 風(fēng)能利用系數(shù)

(a) 外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

(b) 內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

(c) 內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差

(a) 同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率

(b) 同步發(fā)電機(jī)輸出的三相電流

3.4 隨機(jī)風(fēng)速下的仿真分析

隨機(jī)風(fēng)速下仿真波形如圖15～圖17。隨機(jī)風(fēng)速采用丹麥奧爾堡大學(xué)開(kāi)發(fā)的風(fēng)速仿真模型[13]。由圖可見(jiàn)，t=0～6 s,風(fēng)速低于8 m/s，風(fēng)力機(jī)處于最大風(fēng)能跟蹤區(qū)，其輸出的功率、轉(zhuǎn)矩以及前軸轉(zhuǎn)速均能夠快速地跟隨風(fēng)速的變化，使風(fēng)力機(jī)保持最佳葉尖速比的運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)穩(wěn)定在0.48附近，實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能跟蹤的目標(biāo)。t=6～14s時(shí)，風(fēng)速高于8 m/s，風(fēng)力機(jī)處于恒轉(zhuǎn)速區(qū)，CP值始終低于0.48，電磁耦合器內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定值。整個(gè)過(guò)程中后軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 500 r/min，保證了同步發(fā)電機(jī)輸出電壓、電流頻率的穩(wěn)定。

(a) 隨機(jī)風(fēng)速

(b) 風(fēng)力機(jī)的輸出功率

(c) 風(fēng)力機(jī)經(jīng)齒輪箱輸出的轉(zhuǎn)矩

(d) 風(fēng)能利用系數(shù)

(a) 外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

(b) 內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

(c) 內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差

(a) 同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率

(b) 同步發(fā)電機(jī)輸出的三相電流

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在分析了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性和電磁耦合器工作原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)電磁耦合器的轉(zhuǎn)矩傳遞特性，采用最優(yōu)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制策略，應(yīng)用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建了電磁耦合器調(diào)速同步風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能跟蹤控制的仿真模型。在不同風(fēng)況下的仿真結(jié)果表明，采用最優(yōu)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的電磁耦合器調(diào)速同步風(fēng)電機(jī)組，其運(yùn)行穩(wěn)定，功率、轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)小，能夠較好地達(dá)到最大風(fēng)能跟蹤的目的，在風(fēng)能跟蹤區(qū)和恒轉(zhuǎn)速區(qū)之間平滑地過(guò)渡切換。

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