(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

近些年，風(fēng)電作為一種清潔、綠色的可再生能源，在國(guó)內(nèi)外得到了快速發(fā)展[1]。但由于風(fēng)具有爆發(fā)性、間歇性、瞬時(shí)性，這使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)很難充分的獲取風(fēng)能。因此，研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤對(duì)于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲具有重要意義。

目前，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤[2-3](MPPT)的研究大多只進(jìn)行了全仿真分析，不能真實(shí)反映風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的實(shí)況，而且，這樣分析研究會(huì)顯得過于理想，直接在真實(shí)系統(tǒng)中應(yīng)用可能帶來很大風(fēng)險(xiǎn)。另外，由于永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)多為幾兆瓦，在對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，很難進(jìn)行真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)時(shí)仿真技術(shù)成為電力系統(tǒng)仿真研究的一種新手段，它結(jié)合了數(shù)字仿真和物理仿真的優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于新能源并網(wǎng)、微電網(wǎng)運(yùn)行及控制等領(lǐng)域的研究[4-5]。相比于其他實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)與MATLAB/Simulink完全兼容，可以直接將利用MATLAB/Simulink建立的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實(shí)時(shí)仿真、控制、測(cè)試的各個(gè)環(huán)節(jié)。RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)可以通過I /O口與外部硬件相連接，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電控制器的硬件在環(huán)，并可以模擬真實(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真過程中的在線調(diào)參，便于分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。因此RT-LAB半實(shí)物平臺(tái)為建立永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型提供了非常有效的技術(shù)手段。

本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)進(jìn)行了研究?；赗T-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)搭建了2.5MW直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對(duì)不同風(fēng)速條件下，直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了不同風(fēng)速下最大功率跟蹤的特性。

2 兆瓦級(jí)直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成

本文以2.5MW直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為研究對(duì)象，如圖1為PMSG系統(tǒng)主電路拓?fù)洹?/p>

圖1 永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

從圖1可知，永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)機(jī)組有風(fēng)機(jī)模型、風(fēng)力機(jī)模型、永磁同步發(fā)電機(jī)、全功率變頻器、風(fēng)力機(jī)組控制系統(tǒng)、變槳偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及電網(wǎng)等部分組成[6]。

其中風(fēng)力機(jī)主要將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，永磁同步發(fā)電機(jī)將機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率。風(fēng)力機(jī)組控制系統(tǒng)、變槳偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)速水平下最大功率點(diǎn)跟蹤以及額定功率的輸出。

3 基于RT-LAB的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模

半實(shí)物仿真又稱硬件在環(huán)仿真，RT-LAB仿真平臺(tái)是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一套半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)系統(tǒng)，采用CPU+FPGA的硬件架構(gòu)。通過RT-LAB，可以直接將利用MATLAB/Simulink建立的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實(shí)時(shí)仿真、控制、測(cè)試以及其它相關(guān)領(lǐng)域。

本文在MATLAB/Simulink環(huán)境中建立永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型，結(jié)合硬件在環(huán)作為研究平臺(tái)。根據(jù)RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)建立模型的要求，將建立的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型劃分為兩個(gè)子系統(tǒng)：SM_Type4Turbine和SC_display子系統(tǒng)，如圖2所示。

SM_Type4Turbine為主(Main)子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)模型和外部信號(hào)的解算，包含信號(hào)輸入輸出端口、PMSG模型等。SC_display為控制臺(tái)子系統(tǒng)，與主子系統(tǒng)異步運(yùn)行，負(fù)責(zé)對(duì)主子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2 PMSG系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真模型頂層子系統(tǒng)

3.1 PMSG模型

在RT-LAB仿真平臺(tái)中建立了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真模型，如圖3為直驅(qū)永磁式風(fēng)力發(fā)電控制模型，部分參數(shù)如表1所示。

表1 PMSG參數(shù)

4 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤控制

如等式(1)所示，為了控制捕獲的機(jī)械T功率，在給定風(fēng)速下，唯一的可控項(xiàng)是功率系數(shù)，公式(2)為功率系數(shù)：

(1)

(2)

功率系數(shù)特性如圖4所示。從該圖中可以看出，不同的功率系數(shù)曲線對(duì)應(yīng)于不同的漿距角。對(duì)于每種情況，存在最佳葉尖速比，其有助于峰值功率系數(shù)值，其進(jìn)而導(dǎo)致最大功率捕獲。

當(dāng)風(fēng)速值較低時(shí)，因葉尖速比與漿距角相關(guān)，所以通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)漿距角，使其能夠跟蹤風(fēng)速的變化，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)葉尖速比，實(shí)現(xiàn)最佳利用系數(shù)，從而獲取最大化輸?shù)某龉β?，如圖5所示。

當(dāng)風(fēng)速超出額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)入控制變槳階段。此階段需要風(fēng)機(jī)工作在額定功率輸出，通過漿距角控制，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速附近，使風(fēng)機(jī)工作在額定功率輸出，如圖6所示。

圖3 直驅(qū)永磁式風(fēng)力發(fā)電控制模型

圖4 葉尖速比

圖5 漿距角控制

圖6 最大功率跟蹤控制

5 基于RT-LAB實(shí)時(shí)仿真與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證變化對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的影響，在RT-LAB中仿真測(cè)試了切入風(fēng)速和額定風(fēng)速的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，如圖7所示。

如圖7為衰減到1/300的風(fēng)機(jī)輸出電流波形，在仿真結(jié)果中可以看出，根據(jù)不同的風(fēng)速水平，系統(tǒng)性能具有不同的特點(diǎn)，其如下：

(1)風(fēng)速為3m/s：風(fēng)速已進(jìn)入切入速度，這意味著所產(chǎn)生的電功率足以補(bǔ)償內(nèi)部功耗損耗。因此，風(fēng)力渦輪機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，并且PMSG開始產(chǎn)生電力，輸出功率持續(xù)，單輸出功率相對(duì)較小，隨著風(fēng)速的增加，電磁轉(zhuǎn)矩和發(fā)電量會(huì)逐漸增加，此時(shí)輸出電流為600A。

圖7 PMSG輸出電流Iabc的波形

(2)風(fēng)速為10m/s：風(fēng)機(jī)進(jìn)入額定風(fēng)速。經(jīng)過控制系統(tǒng)控制，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，風(fēng)機(jī)工作在額定功率，實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤。在穩(wěn)態(tài)下，可以計(jì)算發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩和發(fā)電量的理論值，以驗(yàn)證仿真結(jié)果。此時(shí)系統(tǒng)功率持續(xù)，輸出電流為3900A。

(3)風(fēng)速超出25m/s：由于風(fēng)速不斷增加，超過切出風(fēng)速，對(duì)系統(tǒng)上的電氣和機(jī)械應(yīng)力構(gòu)成威脅，系統(tǒng)停機(jī)，輸出功率為零。

6 結(jié)論

本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)進(jìn)行了研究，搭建了基于RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)2.5MW直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對(duì)不同風(fēng)速條件下，直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了不同風(fēng)速下最大功率跟蹤的特性，研究結(jié)果表明：基于RT-LAB建立的2.5MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤。