張惠強

（國電電力內(nèi)蒙古新能源開發(fā)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

在經(jīng)濟持續(xù)增長的同時，能源問題也逐漸暴露在世人面前，為了早日擺脫能源枯竭的困境，不少業(yè)界人士將視線投向了風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電具有諸多優(yōu)勢，因此，如何將其轉(zhuǎn)換成人類的基本電力，是一個亟待解決的課題。針對這種特殊的風(fēng)能變化，通過對風(fēng)力發(fā)電機在不同工況下的風(fēng)能變化進行了分析，計算不同工況下的風(fēng)能變化、動態(tài)性能，通過MATLAB 軟件對其進行了模擬，得出了其動態(tài)特性，對于進一步開展雙饋異步電動機的深入研究和市場的應(yīng)用具有重要意義。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機組動態(tài)特性分析必要性

風(fēng)力發(fā)電是一種清潔無污染、易獲取、儲量巨大的可持續(xù)發(fā)展的新能源。但是，風(fēng)力發(fā)電是一種時序性、隨機性的能源，其輸出功率存在很大的波動，而當(dāng)風(fēng)力發(fā)電裝機的規(guī)模越來越大時，大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電將會對電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)產(chǎn)生一定的不利作用。但在仿真分析的過程中，由于傳統(tǒng)的蜜蜂算法收斂速度慢，容易陷入局部最優(yōu)化，將遺傳算法與其相融合，并采用了一種基于高斯化和混亂干擾的改進方法。采用該方法進行了BP 網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)優(yōu)化和風(fēng)速預(yù)報，結(jié)果顯示，該方法具有較高的預(yù)報準(zhǔn)確率和較好的預(yù)報性能?；贛ATLAB 的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組動態(tài)特性分析，提出了一種多模式的狀態(tài)預(yù)報控制器，用于解決常規(guī)PI 系統(tǒng)中的電力波動大和輸出超調(diào)量大等問題。模擬實驗證明，與PI 相比，MMPC 系統(tǒng)的速度和輸出功率的波動明顯減少，而在風(fēng)速干擾的影響下，舵面運動的改變幅度明顯減少。風(fēng)能是由風(fēng)車通過能源轉(zhuǎn)換為電力的過程。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機組自身的優(yōu)點，這種無污染的新能源被人們所重視。再加上天然的風(fēng)能是無窮無盡的，因此，各國對風(fēng)能的利用也是越來越多。

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機組動態(tài)特性分析的原理

2.1 工作原理

雙饋變頻風(fēng)電機組包括四個主要組件，其中，雙饋式風(fēng)電機組的總體架構(gòu)，這種雙饋型風(fēng)力發(fā)電機的工作模式是：將風(fēng)力馬達的轉(zhuǎn)子與發(fā)電機的轉(zhuǎn)子之間以接觸的形式驅(qū)動，這時，發(fā)電機的線圈是由AC 轉(zhuǎn)換成DC，然后連接變流器和電網(wǎng)。風(fēng)力機、傳動系統(tǒng)、變槳執(zhí)行機構(gòu)和發(fā)電機的具體數(shù)學(xué)建模，并在MATLAB 上建立了開環(huán)動態(tài)性能測試系統(tǒng)。將該模型進行了分段線性化，并在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出了該單元的狀態(tài)空間模式。通過分析雙饋式風(fēng)電機組的動態(tài)工作動態(tài)學(xué)特點，即在低于正常工況時，將轉(zhuǎn)子度維持在最低限度，通過調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機的速度，使得機組達到最大的風(fēng)能利用率，從而達到最大的風(fēng)能利用率；超過標(biāo)稱速度時，保持額定速度，調(diào)整轉(zhuǎn)子距角度，使其接近標(biāo)稱的動態(tài)。

2.2 研究思路

在了解了雙饋異步變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理的基礎(chǔ)上，基于MATLAB 分析雙饋風(fēng)力發(fā)電機組動態(tài)特性。變速風(fēng)力發(fā)電裝置需要把風(fēng)力轉(zhuǎn)化為機械能，再把機械能轉(zhuǎn)化為電力，完成電力輸送。雙饋異步電動機的轉(zhuǎn)子、定子是用兩個變流器相連的。在電網(wǎng)的常態(tài)工作條件下，轉(zhuǎn)子端變頻器通過對速度進行調(diào)節(jié)，使功率的輸出達到最佳，這就是轉(zhuǎn)子回路的變頻點。

雙饋變頻器采用更低的變頻器，它的額定能力稍大于其發(fā)電機的標(biāo)稱能力乘以其額定的滑動偏差，一般為風(fēng)電場的25%。電網(wǎng)變流器通過不依賴轉(zhuǎn)子的數(shù)字和方向來調(diào)節(jié)其DC 連接的電壓，并在網(wǎng)絡(luò)中維持均衡。針對風(fēng)速本身的特性，本文提出4 種不同的風(fēng)模式，即基礎(chǔ)風(fēng)Va、陣風(fēng)Vb、漸變風(fēng)Vc 以及隨機風(fēng)Vd。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建形成相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。具體的仿真模型如下：

設(shè)VWB 為恒定風(fēng)速，表示風(fēng)速模型的平均速度，設(shè)VWG 為陣風(fēng)風(fēng)速，描述風(fēng)速突然變化的特性，其數(shù)學(xué)模型如公式（1),t1G 表示陣風(fēng)的開始時間，tG 表示陣風(fēng)的持續(xù)時間.VG max 表示陣風(fēng)的最大值，t 表示有風(fēng)的時間，設(shè)VWR 為漸變風(fēng)速，描述風(fēng)速的漸變特性，其數(shù)學(xué)模型如公式（2），t1R 表示階躍開始的時間，t2R 表示上升截止的時間；VR max 表示風(fēng)速階躍最大值。設(shè)VWN 為隨機風(fēng)速，可以用Simulink 中的白噪聲表達，設(shè)風(fēng)速為VW，則為公式（3）。

3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機組動態(tài)特性分析的結(jié)果

3.1 正常運行時風(fēng)電機組輸出特性仿真

基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機的數(shù)學(xué)建模，利用Matlab 軟件對其進行建模，該組件的分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是由風(fēng)力機、感應(yīng)發(fā)電機定子電流、電網(wǎng)一側(cè)變換器電流組、發(fā)電機、變頻器等的子組件構(gòu)成。設(shè)定了雙饋式風(fēng)力發(fā)電機的各項參數(shù)，并用模式視窗中的配置控制器來開啟設(shè)定模擬參數(shù)的對話，選取Ode23tb 演算法，設(shè)定模擬起始時刻0s，終止時刻10s。通過模擬計算，得出了風(fēng)力發(fā)電機在一定速度下的輸出量的變化規(guī)律，結(jié)果表明，在一定的風(fēng)速條件下，風(fēng)力發(fā)電機的出力是平穩(wěn)的，而風(fēng)力發(fā)電機的有功功率隨著出力的增加而增加到一定的水平。

通過對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模擬，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的輸出容量在一定范圍內(nèi)仍能維持較好的穩(wěn)定性，而風(fēng)力發(fā)電機的有功功率隨著出力的增加而增加。通過比較發(fā)現(xiàn)，無論是在固定風(fēng)速或陣風(fēng)速度下，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的輸出電壓均能維持在一個較低的水平，且在較長的一段時間內(nèi)，其輸出電壓均能達到較好的穩(wěn)定性。

圖1 陣風(fēng)風(fēng)速下風(fēng)電機組輸出特性變化曲線

圖2 恒定風(fēng)速下風(fēng)電機組輸出特性變化曲線

3.2 故障運行時風(fēng)電機組輸出特性仿真

采用失效模式設(shè)定了單相短路，設(shè)定1s 內(nèi)出現(xiàn)一次單相短路，1.2s 內(nèi)排除，模擬起始點0s，終止點2s。通過模擬單相短路故障時風(fēng)電機組輸出特性曲線可以看出，當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)單相故障時，風(fēng)電機組的出口電壓降低，出口電流增大，但是變化幅度都較小。風(fēng)電機組的輸出有功功率和無功功率也會出現(xiàn)少許的波動。故障清除后，風(fēng)電機組為了使端電壓恢復(fù)到給定值需要從電網(wǎng)中吸收無功功率，恢復(fù)速度相對較快。采用模式中的失效模式設(shè)定三相的短路，設(shè)定1s 內(nèi)出現(xiàn)三相短路，1.2s 內(nèi)排除，模擬起始時刻0s，終止2s。通過對風(fēng)力發(fā)電機三相短路事故的分析，得出了風(fēng)力發(fā)電機在三相短路事故中的輸配電性能圖。經(jīng)過一段時間的檢修，風(fēng)力發(fā)電機的電壓可以在短的一段時間內(nèi)恢復(fù)到原來的運行，但是其恢復(fù)速率比較緩慢，而且在失效的地方，有功和無功的值都會比失效之前降低。

圖3 單相短路故障時風(fēng)電機組輸出特性變化曲線

3.3 總結(jié)分析

在風(fēng)速為常數(shù)的情況下，該雙饋風(fēng)電機組的輸出電壓及輸出功率均為常數(shù)。在雙饋風(fēng)扇機組中，在風(fēng)速波動時，其輸出電壓幾乎不變，而其輸出功率則會隨風(fēng)速的改變而改變。在電網(wǎng)發(fā)生單相干短路時，可使系統(tǒng)的輸出電壓下降，并使其具有較低的有功、無功等方面的功率變化，一旦排除了這些問題，就可以相對快速地回到原來的運行。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生三相短路時，風(fēng)電場的輸出電壓會急劇下降，而其輸出的有功也會隨之減少，并且為電力系統(tǒng)輸送了大量的無功，從而使風(fēng)電場在排除了這些問題后，重新回到原來運行的時間要長一些。

4 MATLAB 技術(shù)在雙饋風(fēng)力發(fā)電機組動態(tài)特性分析的應(yīng)用

4.1 方法分析

首先，對風(fēng)輪、傳動系統(tǒng)、變槳執(zhí)行機構(gòu)、發(fā)電機進行了建模，建立了風(fēng)輪、傳動系統(tǒng)、變槳執(zhí)行機構(gòu)和發(fā)電機的數(shù)學(xué)建模，建立了系統(tǒng)的模型，通過MATLAB/Simulink 軟件建立了系統(tǒng)的模型，通過對模塊的分段進行了線性分析，得到了系統(tǒng)的狀態(tài)空間建模。為了克服傳統(tǒng)的人工蜜蜂算法容易陷入局部最優(yōu)、收斂速度慢的缺點，將遺傳算法與其相融合，并將其應(yīng)用于后續(xù)的高斯化和混亂干擾中。為了檢驗該方法的效率和效果，采用了一種經(jīng)典的試驗方法，并利用該方法進行了參數(shù)識別。仿真試驗證明，該方法具有收斂精度高、全局和局部優(yōu)化性能好、穩(wěn)定性好等特點。利用經(jīng)試驗證明的改良的蜂窩結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法進行了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)優(yōu)化和風(fēng)速預(yù)報，并與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實測結(jié)果進行了比較，結(jié)果顯示，該方法具有較高的預(yù)報準(zhǔn)確率和較好的預(yù)報性能。針對常規(guī)PI 控制方案中的電力波動大、輸出超調(diào)量大等問題，MATLAB 技術(shù)從理論上分析了該系統(tǒng)的基本特性，建立了一種多模式的預(yù)報控制器，通過對階躍風(fēng)、陣風(fēng)、湍流風(fēng)等不同風(fēng)速情況的模擬計算，發(fā)現(xiàn)該方法可以在低于標(biāo)稱風(fēng)速的情況下，實現(xiàn)對最大風(fēng)力的追蹤，使其平穩(wěn)地實現(xiàn)輸出功率的平穩(wěn)，超過標(biāo)稱風(fēng)速時，其速度和輸出功率的起伏明顯減小，而偏心執(zhí)行器因風(fēng)速干擾而提早啟動，俯仰角度的變化也相對較小?？偟膩碚f，MMPC 控制方案，既能獲得最大風(fēng)能捕獲和平滑輸出功率，又能在某種程度上減少螺距運動的改變，減少機器的機械疲勞，提高使用裝置的使用年限。與PI控制相比，在最大風(fēng)力追蹤期，多模式預(yù)報控制方案的性能提高不明顯，故在低于標(biāo)稱風(fēng)速時，其最大風(fēng)力追蹤控制仍需深入探討。

4.2 應(yīng)用效果分析

MATLAB 技術(shù)以全機動態(tài)學(xué)模式是以轉(zhuǎn)矩控制為核心，以轉(zhuǎn)矩為基礎(chǔ)，以向量控制為基本單元。通過在3～25m/s 的速度下，通過仿真分析，得出3 ～25m/s 的有功功率、轉(zhuǎn)速與機組的功率因子1。通過仿真對比表明，采用直接轉(zhuǎn)矩－空間矢量調(diào)頻技術(shù)能夠較好地反映出機組的穩(wěn)定工作狀態(tài)。為評價直方轉(zhuǎn)矩－空間矢量調(diào)變系統(tǒng)的動態(tài)學(xué)特性，以低于額定風(fēng)速、高于額定風(fēng)速和接近額定風(fēng)速3 種工況下的動態(tài)特性進行仿真，并與常規(guī)的轉(zhuǎn)矩控制作比較。在模擬時，把單位的電力系數(shù)設(shè)定為1。低于標(biāo)稱風(fēng)速時，當(dāng)風(fēng)力發(fā)生變化（1s 內(nèi)從7m/s升高到8m/s，而在1s 內(nèi)，風(fēng)力從7m/s 降低到8m/s）時，單位電力的反應(yīng)。仿真表明，在低于標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速條件下，當(dāng)風(fēng)速出現(xiàn)1m/s 的瞬時，采用直接轉(zhuǎn)矩－空間矢量調(diào)頻的方法可以獲得更高的反應(yīng)速率，但因單位功率小，兩者之間的差異并不顯著。此外，由于常規(guī)的轉(zhuǎn)矩控制在低負(fù)載情況下的控制效果較差，因此，與直接轉(zhuǎn)矩－空間矢量調(diào)節(jié)方法的速度有較大差異。隨著風(fēng)力的增大，兩者之間的距離也隨之縮小。

在接近標(biāo)稱的速度時，當(dāng)風(fēng)速出現(xiàn)變化時（從1s的10m/s 到11m/s，從1s 到10m/s）的有功電力的反應(yīng)，可以看到，風(fēng)力發(fā)電機的運行狀況從最大風(fēng)能跟蹤到標(biāo)稱運行。在給定工作條件下，僅有的控制風(fēng)能輸出（不計偏轉(zhuǎn)）的方法是調(diào)整螺距角度。滯環(huán)控制系統(tǒng)在啟動時，要有一個扭矩的誤差。因此，與直接轉(zhuǎn)矩－空間矢量調(diào)制控制相比，對俯仰角度的調(diào)整有一定的延遲?？梢?，此時的速度也會有很大的改變。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制方法在反應(yīng)速率上，不如采用直接轉(zhuǎn)矩－空間矢量的方法。另外，在接近固定風(fēng)速的情況下，這種差異是非常顯著的。

當(dāng)超過標(biāo)稱風(fēng)速時，該設(shè)備的速度會出現(xiàn)變化（從1s 的15m/s 增加到16m/s，從1s 下降到15m/s），該設(shè)備的有效功率反應(yīng)，如圖所示，當(dāng)超過標(biāo)稱風(fēng)速，當(dāng)該設(shè)備處于額定功率時，該電機的直接轉(zhuǎn)矩－空間矢量調(diào)頻仍具有較高的反應(yīng)速度。不過，由于發(fā)電機的功率已經(jīng)達到了極限，這兩種方法在反應(yīng)速度方面的差別并不大。

通過對轉(zhuǎn)子的速度特性的分析，發(fā)現(xiàn)在采用直接轉(zhuǎn)矩－空間矢量調(diào)節(jié)模式時，風(fēng)速對速度影響不大。在干擾出現(xiàn)后，常規(guī)的直接扭矩調(diào)節(jié)要6s 左右，才能實現(xiàn)完全的穩(wěn)定。本文針對一臺雙饋式風(fēng)電機組，從理論上導(dǎo)出了一種采用直接轉(zhuǎn)矩－空間矢量調(diào)節(jié)的方法，并根據(jù)該系統(tǒng)的動態(tài)建模，模擬了在不同的額定風(fēng)速、不同的風(fēng)速和不同的不同工況下，不同的機組在不同工況下的動態(tài)特性。通過與常規(guī)的轉(zhuǎn)矩控制方法的比較，得到了較好的效果。通過對直接矩－空間矢量調(diào)變的穩(wěn)態(tài)校核，證明了采用這種方法所得到的發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)特性和所需的設(shè)計參數(shù)有很好的一致性。本文所提出的控制邏輯是正確的。從模擬實驗中可以看到，利用PI 控制器代替轉(zhuǎn)矩環(huán)與轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)滯環(huán)控制器，使其在控制精度和反應(yīng)速率上都得到了明顯的提高；因為提高了俯仰角度的調(diào)整速率，因此，當(dāng)發(fā)電機在接近標(biāo)稱風(fēng)速時，采用直接轉(zhuǎn)矩－空間矢量調(diào)幅來提高其性能。

5 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的瞬時、隨機性對發(fā)電系統(tǒng)的運行性能有很大的影響，但由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的大量投入，使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力越來越強，風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的影響也越來越大。針對風(fēng)力發(fā)電機在隨機風(fēng)速的影響下，采用了一種新的CGCGABC-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行了風(fēng)速預(yù)報，采用多個模式的可變槳距預(yù)報控制器，使其能夠達到最大限度地減小輸出功率的目的。