許湖江

上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院　上?！?00240

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)矢量控制研究

許湖江

上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院上海200240

基于定速與變速風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性，得出了變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。在變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，提出了動(dòng)態(tài)模型方程，并論述了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的矢量控制理論。對(duì) 1.5MW 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了所論述理論的正確性。

風(fēng)力發(fā)電；矢量控制；仿真；試驗(yàn)

1　研究背景

為應(yīng)對(duì)日益凸顯的環(huán)境危機(jī)及能源危機(jī)[1]，作為可再生能源中最成熟的技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電得到了全球各國(guó)的高度重視。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的目的是最大限度獲取風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率。2000年前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)輸出功率還只是千瓦級(jí)別，最大額定功率只有200kW，但是到了2000年之后，市場(chǎng)上主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率達(dá)到了兆瓦級(jí)別。預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率將進(jìn)一步增大，特別是在海上風(fēng)電的應(yīng)用中。2016年，兩大風(fēng)電巨頭維斯塔斯與西門(mén)子在歐洲安裝了各自研發(fā)的 8MW 樣機(jī)，使國(guó)際海上風(fēng)電正式進(jìn)入了8MW時(shí)代。目前市場(chǎng)上主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1，這些風(fēng)力發(fā)電機(jī)均為變槳距及變速控制。

表1　主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)

早期安裝的小容量風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，選用簡(jiǎn)單的鼠籠式異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能直接連接至三相電網(wǎng)，其風(fēng)輪轉(zhuǎn)子通過(guò)固定傳動(dòng)比率的齒輪箱直接連接到發(fā)電機(jī)主軸上。也有一些感應(yīng)發(fā)電機(jī)使用極點(diǎn)可調(diào)的繞組配置來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同同步轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行。上述類(lèi)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須在恒定速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，不能變速運(yùn)行，這種恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及性能非常依賴(lài)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及電力電子電路的特性。由于風(fēng)能特有的不確定性，每當(dāng)一陣風(fēng)吹到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上時(shí)，可以看到系統(tǒng)的輸出功率會(huì)有一個(gè)非?？焖偾覐?qiáng)烈的變化。負(fù)載的變化不僅需要一個(gè)穩(wěn)定的電網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)維持，而且需要非常穩(wěn)固的機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)吸收變化過(guò)程中產(chǎn)生的高機(jī)械應(yīng)力，尤其是對(duì)于額定功率比較高的機(jī)組，使用恒速風(fēng)電系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致成本昂貴。因此，目前市場(chǎng)上的主流設(shè)計(jì)為變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

2　變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

目前市場(chǎng)上主流的大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大都采用變速運(yùn)行的技術(shù)方案[2]，與恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有以下主要優(yōu)點(diǎn)。

(1) 具有顯著的成本效益，可對(duì)槳距角進(jìn)行控制[3]。發(fā)電機(jī)的控制速度可以允許槳距角控制時(shí)間變得更長(zhǎng)，從而降低變槳距控制的復(fù)雜性，以及峰值功率要求。當(dāng)在低風(fēng)速情況下時(shí)，槳距角通常是固定的；而當(dāng)處于超過(guò)額定功率對(duì)應(yīng)的風(fēng)速時(shí)，執(zhí)行槳距角控制，最終限制機(jī)組最大功率的輸出。

(2) 降低機(jī)組運(yùn)行時(shí)的機(jī)械應(yīng)力，吸收偶然性陣風(fēng)，能量可以被儲(chǔ)存在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械慣性中，從而減小機(jī)械轉(zhuǎn)矩的振蕩。

(3) 提高電能質(zhì)量，減小輸出功率的瞬間變化。

(4) 提高系統(tǒng)的工作效率，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組始終在最大功率點(diǎn)附近運(yùn)轉(zhuǎn)[4-5]。

(5) 降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的噪聲。

3　雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是目前風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的風(fēng)電技術(shù)之一。圖1為典型的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)中包括了雙饋發(fā)電機(jī)、功率變換器等部件。雙饋發(fā)電機(jī)的定子端直接與電網(wǎng)相連接，轉(zhuǎn)子端則通過(guò)一組交-直-交背靠背脈寬調(diào)制變流器與電網(wǎng)相連，變流器為轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電流。根據(jù)雙饋發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的電磁關(guān)系可知，變流器只需要提供轉(zhuǎn)差功率，即最大30%額定功率便可實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變速恒頻運(yùn)行與最大功率追蹤[6]，大大降低了變流器的容量，節(jié)約了成本。此外，通過(guò)改變勵(lì)磁電流的相位與幅值，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出有功功率與無(wú)功功率的解耦控制，提高風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)度的靈活性。

3.1　數(shù)學(xué)模型

為了研究雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，以及有功無(wú)功功率的解耦控制[7]，需要討論雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)與普通繞線式異步發(fā)電機(jī)在電機(jī)結(jié)構(gòu)方面類(lèi)似，因此可以參考普通異步發(fā)電機(jī)的理論進(jìn)行分析與研究。設(shè)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子端正方向采用發(fā)電機(jī)慣性，轉(zhuǎn)子端正方向采用電動(dòng)機(jī)慣性，基于磁勢(shì)與電勢(shì)平衡理論，可以得到雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等效電路，如圖2所示，其數(shù)學(xué)基本方程式為：

圖1　典型變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

圖2　雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)等效電路

(1)

式中：U1為定子側(cè)電源電壓；U2為轉(zhuǎn)子側(cè)饋電電壓；E1為定子側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；S為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率；E2為轉(zhuǎn)子側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Em為互感感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；i1為定子電流；i2為轉(zhuǎn)子電流；im為互感電流；r1與X1分別為定子繞組電阻與漏抗；r2與X2分別為轉(zhuǎn)子繞組電阻與漏抗；rm與Xm分別為勵(lì)磁互感回路電阻與漏抗。

當(dāng)機(jī)組的額定電壓、額定功率及功率因數(shù)一定時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際上只有S、U2，以及U2與U1相位差角度之間的關(guān)系，即可通過(guò)調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)組幅值、頻率及相位來(lái)控制輸出。

由雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在三相靜止坐標(biāo)系下的物理模型，可以得到機(jī)組在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。在該數(shù)學(xué)模型中，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的互感應(yīng)與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)，發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型為時(shí)變非線性、高階微分方程，磁鏈則具有強(qiáng)耦合關(guān)系，電感的矩陣較復(fù)雜，很難得到它的解析解，想要對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制就更加困難了。因此基于以上考慮，對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并進(jìn)行解耦磁鏈。

將三相靜止坐標(biāo)系變換到d-q兩相同步參考坐標(biāo)系，這一等效變換是在磁勢(shì)一致的前提下進(jìn)行的。在完全對(duì)稱(chēng)的三相靜止繞組中，三相交流電流過(guò)后可疊加為一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)F，該磁勢(shì)按照正弦分布的形式在空間中以同步轉(zhuǎn)速ω1，即電流角頻率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，不同相的繞組可認(rèn)為在相應(yīng)的坐標(biāo)系上所產(chǎn)生的磁勢(shì)F是相同的。通過(guò)以上方法，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以得到較大簡(jiǎn)化。

一般情況下，將三相靜止繞組等效為兩個(gè)相同匝數(shù)并且互相垂直的旋轉(zhuǎn)繞組d1、q1，當(dāng)d、q兩軸的電流id1與iq1流過(guò)這兩個(gè)繞組時(shí)，合成的磁勢(shì)相對(duì)于d1、q1繞組是靜止的，所以合成磁勢(shì)等效為一個(gè)空間的磁勢(shì)。通過(guò)控制d1、q1繞組中流過(guò)的電流大小來(lái)控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速和大小，從而保持與坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)F相一致，這樣就達(dá)到了使用旋轉(zhuǎn)d1、q1繞組來(lái)取代三相靜止繞組的目的。圖3為旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組等效物理模型，其中uq1s、uq1r、ud1s、ud1r對(duì)應(yīng)代表雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組在d、q軸上的電壓。

圖3　旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組等效物理模型

依據(jù)坐標(biāo)變換，在保證磁勢(shì)不變的情況下，三相靜止坐標(biāo)系變換到d-q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)矩陣ks(θ)為：

(2)

式(2)中θ為靜止坐標(biāo)系A(chǔ)軸與d-q坐標(biāo)系d軸的夾角，并隨時(shí)間的改變而改變。

d-q坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度ω=dθ/dt，同時(shí)ω=ω1。

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，由式(1)、式(2)轉(zhuǎn)換可得d-q坐標(biāo)系下的電流方程為：

(3)

式中：iq1s為q軸定子繞組電流;Xls為定子電抗;Xlr為轉(zhuǎn)子電抗;Ψq1s為q軸定子磁通;Ψmq1為q軸互感磁通;id1s為d軸定子繞組電流;Ψd1s為d軸定子磁通;iq1r為q軸轉(zhuǎn)子繞組電流;Ψq1r為q軸轉(zhuǎn)子磁通;id1r為d軸轉(zhuǎn)子繞組電流;Ψd1r為d軸轉(zhuǎn)子磁通。

互感磁通的方程為：

(4)

式中：Ψmd1為d軸互感磁通；Xm1為互感勵(lì)磁電抗。

磁通方程為：

(5)

式中：ωb為電磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角速度；ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；Xaq1和Xad1分別為q、d軸電樞反應(yīng)電抗參數(shù)。

(6)

電磁轉(zhuǎn)矩Te方程及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度方程分別為：

(7)

(8)

式中：TL為作用于軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；P為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)。

3.2　矢量控制

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、復(fù)雜多變的非線性系統(tǒng)，需要對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解耦控制，而矢量控制則是實(shí)現(xiàn)解耦的關(guān)鍵技術(shù)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的電流分量為工作頻率量和轉(zhuǎn)差頻率量，它是一個(gè)高階非線性強(qiáng)耦合多變量系統(tǒng)，如果簡(jiǎn)單地對(duì)交流電進(jìn)行閉環(huán)控制而不進(jìn)行解耦，得到的效果并不理想。矢量控制可在坐標(biāo)變換理論的基礎(chǔ)上，使雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部各變量之間的耦合關(guān)系得到簡(jiǎn)化，從而可使雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制得到簡(jiǎn)化。

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用矢量控制策略，解耦電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制，使q軸的定子磁通量得到消除，由此，電磁轉(zhuǎn)矩方程式可以寫(xiě)為：

Te=-3PXm1imsiq1r/2

(9)

式中：ims為定子側(cè)互感勵(lì)磁電流。

由式(9)可以得出，Te能通過(guò)控制q軸轉(zhuǎn)子繞組電流iq1r來(lái)直接控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，因此，對(duì)于一個(gè)給定的輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩TL，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率就能被控制。無(wú)功功率的控制也可以由q軸轉(zhuǎn)子繞組電流iq1r來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并能獨(dú)立控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功與無(wú)功功率輸出，設(shè)計(jì)了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)矢量控制器，如圖4所示。

圖4中IRdq和VRdq分別為兩相d-q坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流與電壓，IS dq為兩相d-q坐標(biāo)系下的定子電流，VR和IR分別為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)變流器轉(zhuǎn)子電壓與電流，VS和IS分別為電網(wǎng)側(cè)變流器定子電壓與電流，VDC為變流器直流母線電壓，PG和QG分別為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功功率，PGset和QGset分別為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功功率參考值，ΦVS和ΦVR分別為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子電壓矢量角，IGC為電網(wǎng)側(cè)變流器控制電流，IN為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定電流。

根據(jù)圖4測(cè)量得到的轉(zhuǎn)子電流信號(hào)可用于轉(zhuǎn)子電流的調(diào)節(jié)，以減小參數(shù)失諧，以及變流器增益誤差的影響。

4　仿真結(jié)果

為了評(píng)估雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)矢量控制[8-9]的效果，基于MATLAB軟件Simulink仿真模塊，對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬分析[10]。圖5為雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速比下的瞬時(shí)有功功率隨時(shí)間變化響應(yīng)曲線。由圖5(a)可知，當(dāng)解耦控制未被激活，即使用基于滑移控制的基本穩(wěn)態(tài)電壓模型來(lái)控制機(jī)組系統(tǒng)時(shí)，由于d、q兩軸變量之間的耦合，系統(tǒng)性能取決于響應(yīng)速度。由圖5(b)可知，根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行解耦控制時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)的速度較快且平穩(wěn)。

5　試驗(yàn)結(jié)果

在國(guó)產(chǎn)典型1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)的額定功率為1.5MW，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1800r/min，試驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖10所示。

圖4　雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)矢量控制器

圖5　雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速比下的瞬時(shí)有功功率隨時(shí)間變化響應(yīng)曲線

圖6　運(yùn)行試驗(yàn)風(fēng)速波形

圖7　運(yùn)行試驗(yàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波形

圖8　運(yùn)行試驗(yàn)變槳角度波形

圖9　運(yùn)行試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩指令百分比波形

圖10　運(yùn)行試驗(yàn)輸出功率波形

機(jī)組主要使用變槳控制來(lái)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)時(shí)間為350s時(shí)，由于機(jī)組未達(dá)到最大輸出功率，此時(shí)變槳控制不是很有效，因此，系統(tǒng)跟蹤最大功率曲線來(lái)達(dá)到最大功率輸出。當(dāng)時(shí)間長(zhǎng)于350s時(shí)，可看到風(fēng)速達(dá)到15m/s，機(jī)組系統(tǒng)將轉(zhuǎn)矩指令百分比限制在100%，且系統(tǒng)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的實(shí)際輸出功率完美匹配了設(shè)定的控制指令。在恒定最大功率模式下，變槳系統(tǒng)將風(fēng)輪葉片速度控制在一定范圍內(nèi)，在短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速達(dá)到18m/s，但變槳控制系統(tǒng)并沒(méi)有跟蹤陣風(fēng)。在此瞬態(tài)過(guò)程中，輸出功率幾乎保持恒定，保證了電能質(zhì)量，維護(hù)了電網(wǎng)的穩(wěn)定。

6　結(jié)論

對(duì)于大容量并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，使用變速調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是最理想、最具經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)方案。

筆者推導(dǎo)了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了矢量控制器，并以此來(lái)解耦及對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行控制，仿真結(jié)果及1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論的正確性。

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(編輯： 平平)

Based on the operating characteristics of fixed speed wind power system and variable speed wind power system, the advantages of variable speed wind power generation system were obtained. Based on the working principle of variable speed wind power generation system, the dynamic model equation was put forward, and the vector control theory of DF wind power generation system was discussed. The computer simulation and practice service test of 1.5 MW DF wind power generation system were carried out to verify the validity of the theory.

WindPowerGeneration；VectorControl；Simulation；Test

TM315

A

1674-540X(2017)04-021-06

2017年5月

許湖江(1986—)，男，本科，工程師，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制與技術(shù)，E-mail: xuhj198603@163.com