肖麗娜

四川東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

肖麗娜

四川東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司

隨著我國(guó)化石能源消耗的日益增長(zhǎng)，造成諸多資源已經(jīng)面臨枯竭。石油等化石能源不可再生和燃燒對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，已成為人類(lèi)實(shí)行可持續(xù)發(fā)展道路上迫切需要解決的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)利用可再生能源是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的必然選擇。風(fēng)能是所有可再生能源中發(fā)展速度最快和開(kāi)發(fā)規(guī)模最大的，存在巨大潛力成為保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境的清潔能源。如何最大程度利用風(fēng)能以及控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率輸出，成為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

雙饋發(fā)電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；控制策略

能源是人類(lèi)發(fā)展進(jìn)步的基礎(chǔ)，關(guān)系到國(guó)家社會(huì)、經(jīng)濟(jì)全面可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)今世界，人類(lèi)社會(huì)發(fā)展日益加速，社會(huì)的發(fā)展提高了人們的生活水平，同時(shí)對(duì)能源的需求也大大增加。隨著化石資源的日益枯竭和人類(lèi)對(duì)全球環(huán)境惡化的倍加關(guān)注，尋找可替代的清潔能源成為國(guó)家能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)。

1 雙饋異步電機(jī)運(yùn)行的基本原理

雙饋異步發(fā)電機(jī)功率通常在幾百千瓦至幾兆瓦之間，發(fā)電機(jī)定子只能將風(fēng)力機(jī)功率傳輸紿電網(wǎng)，因此定子中功率流動(dòng)是單向的。轉(zhuǎn)子回路中根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)不同，功率流動(dòng)的方向也會(huì)不同，電網(wǎng)可以通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器從轉(zhuǎn)子接收功率，也可以給轉(zhuǎn)子輸送功率。轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)變換器傳送的最大功率比全功率變換器功率小的多，為雙饋發(fā)電機(jī)額定功率的30%左右。

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，f1和f2分別表示雙饋電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子電流的頻率，n1表示同步轉(zhuǎn)速，nr和ns分別表示轉(zhuǎn)子速度和定子速度。由電機(jī)學(xué)的知識(shí)可知，為了保持雙饋電機(jī)穩(wěn)定工作必須使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度相同，必須滿(mǎn)足：n1=nr+ns；假定用P來(lái)表示電機(jī)的極對(duì)數(shù)，同步轉(zhuǎn)速n1和定子轉(zhuǎn)速ns分別可以表示成：n1=60 f1/P；ns=60f2/P。進(jìn)一步可得出：從該式中可以看出，當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速nr變化，通過(guò)調(diào)節(jié)f2，維持f1不變。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流頻率f2大于0時(shí)，電機(jī)工作于亞同步模式；當(dāng)轉(zhuǎn)子電流頻率是小于0時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于超同步模式；當(dāng)電機(jī)是同步運(yùn)行模式時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)直接是直流勵(lì)磁。

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變換器控制

2.1 網(wǎng)側(cè)變換器矢量控制策略

網(wǎng)側(cè)變換器在電網(wǎng)電壓正常的情形下，常常使用的矢量控制策略有兩種：第一種是基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制；第二種是基于虛擬磁鏈定向的矢量控制。電網(wǎng)電壓定向的矢量控制是以電網(wǎng)電壓的角度作為電流坐標(biāo)變換的參考依據(jù)，通過(guò)控制dq軸電流實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)側(cè)變換器有功和無(wú)功的目的。虛擬磁鏈定向控制的目的是為了降低控制器成本，這種控制策略不需要電壓傳感器，把網(wǎng)側(cè)變換器等效成為了一臺(tái)由轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器供電以電網(wǎng)同步頻率運(yùn)行的交流電機(jī)?？刂品椒ú捎媒涣麟姍C(jī)磁鏈觀(guān)測(cè)相類(lèi)似的方法來(lái)獲取虛擬的電網(wǎng)磁鏈，從而省去了電網(wǎng)電壓作為定向矢量的參考，也就不需要電壓傳感器測(cè)量電壓。

2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器矢量控制策略

轉(zhuǎn)子側(cè)變換器常使用定子磁鏈定向的矢量控制和定子電壓定向的矢量控制。當(dāng)采用定子磁鏈定向控制時(shí)，系統(tǒng)需要對(duì)雙饋電機(jī)定子磁鏈進(jìn)行估測(cè)，使轉(zhuǎn)子變換器控制系統(tǒng)變得繁瑣，因此基于定子電壓定向的矢量控制是轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制中最為普遍使用的。電網(wǎng)可以看作無(wú)窮大電源，發(fā)電機(jī)的定子在額定工作狀況的電壓和頻率就是電網(wǎng)的電壓和頻率。雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)定子電壓和頻率恒定使得使用定子電壓定向的矢量控制變得非常簡(jiǎn)便。電壓定向矢量控制的系統(tǒng)具有不需要坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)化了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，也使得系統(tǒng)建模更加簡(jiǎn)單。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制策略分析

3.1 基于擾動(dòng)控制的最大功率跟蹤策略

擾動(dòng)控制法又叫爬山法，是從光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率控制中移植過(guò)來(lái)的。

圖1 擾動(dòng)控制算法流程圖

如圖1所示，當(dāng)Pi＞Pnow時(shí)繼續(xù)按照PWM+blank方向調(diào)整；當(dāng)Pj＞Pnow時(shí)，則按照PWM-blank方向調(diào)整。對(duì)于定步長(zhǎng)的擾動(dòng)控制方法，選用擾動(dòng)步長(zhǎng)過(guò)大可減小到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，但系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差大；選擇小的擾動(dòng)步長(zhǎng)可使穩(wěn)態(tài)誤差很小，但系統(tǒng)跟蹤速度變慢。為了解決矛盾，提出了變步長(zhǎng)(blank)的控制方法，基本的控制原理是在初始狀態(tài)下為了提高功率跟蹤速度，可以將初始步長(zhǎng)設(shè)置較大，在接近最大功率點(diǎn)的方向上使步長(zhǎng)(blank)逐漸減小，這樣就保證了風(fēng)力系統(tǒng)的輸出功率向增大的方向變化，輸出功率將會(huì)在功率最高點(diǎn)兩側(cè)較小的范圍內(nèi)來(lái)回波動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)跟蹤精度能夠達(dá)到最優(yōu)。變步長(zhǎng)的擾動(dòng)控制方法雖然在跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)精度上具有優(yōu)勢(shì)，但是控制方法較難，所需成本高，在小功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中不具備明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.2 基于風(fēng)機(jī)功率曲線(xiàn)和擾動(dòng)控制的最大功率控制策略

為了適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)速等因素的快速變化，本文提出最大功率控制算法是綜合風(fēng)力機(jī)定子功率-風(fēng)速關(guān)系曲線(xiàn)的最大功率控制和變步長(zhǎng)擾動(dòng)控制提出的。理論上克服了基于風(fēng)力機(jī)定子功率與風(fēng)速曲線(xiàn)控制對(duì)于風(fēng)速測(cè)量和定子功率-風(fēng)速曲線(xiàn)精度要求高的問(wèn)題。常規(guī)擾動(dòng)控制策略的步長(zhǎng)是直接擾動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)的占空比，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的，但本文是基于定子電壓定向矢量控制原理，擾動(dòng)控制擾動(dòng)的不是占空比而是的轉(zhuǎn)子d軸電流的誤差信號(hào)。

現(xiàn)階段，隨著我國(guó)石化資源的日益枯竭和日益嚴(yán)重的污染問(wèn)題，加大對(duì)可再生清潔能源的探索與研究迫在眉睫。風(fēng)能作為一種清潔、無(wú)污染的可再生能源越來(lái)越受到人們的關(guān)注。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)電系統(tǒng)的核心部分，因此對(duì)雙饋發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要意義。

[1]趙梅花.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究[D].上海大學(xué)，2014

[2]楊之俊.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障控制策略研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2009