基于功率追踪曲线切换的双馈风电机组惯性控制策略

基于最大功率追踪的双馈风力发电机直接转矩控制王俊凯;黄伟;张新伟【摘要】根据风力涡轮机的工作原理及风电控制系统的特点,构建了以双馈感应电机为对象的变速恒频风力发电系统,为克服大风扰动对风电机组有功功率的影响,提出了采用融合最大功率追踪算法和直接转矩控制算法的控制策略,以提高功率控制的平稳性.以某风场1.5MW双馈式风力发电机为参照,搭建机组的Matlab仿真模型,对不同风速扰动下的机组功率控制进行仿真,仿真结果验证了控制策略的可行性和有效性.【期刊名称】《上海电力学院学报》【年(卷),期】2016(032)002【总页数】6页(P109-114)【关键词】风力发电;直接转矩控制;最大功率追踪【作者】王俊凯;黄伟;张新伟【作者单位】上海电力学院,上海200090;上海电力学院,上海200090;乌鲁木齐供电公司,新疆乌鲁木齐830011【正文语种】中文【中图分类】TK8风力发电污染小、成本低,是当今世界最具发展前景的发电技术之一.在风电行业快速发展的大趋势下,双馈式风机以其优异的性能得到了广泛的应用[1],变速恒频双馈式风力发电机组已成为大型风电场的主流机型.最大功率追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)是目前变速风力发电系统经常采用的一种控制策略.实现MPPT包括风速信号和功率信号控制两种主要方法.实时测量风速、风向存在滞后现象,因此基于风速信号的控制办法已较少采用.而基于功率信号的控制策略,在减小风力机功率特性和测量风速装置对控制的影响方面具有明显的优势[2-3].在电机的转子侧,常用的有矢量控制法和直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)法.对于并网型机组,大部分文献中均采用定子磁场定向的矢量控制策略,把坐标系d轴与双馈感应电机(Double-fed Induction Generator,DFIG)的定子气隙磁场矢量叠合,推导出定子气隙磁场定向的DFIG稳态下有功、无功解耦的励磁调节模型.但由于矢量控制的鲁棒性较差以及矢量旋转变换的复杂性,造成理论分析的结果与实际的控制效果有较大偏差,这是矢量控制技术存在的缺陷.而DTC具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点[4].本文将DTC与MPPT相结合实现双馈风力发电机的控制,采用圆形直接转矩控制策略建立发电机控制系统,以避开复杂算法所带来的局限性,同时选择动态特性良好的功率闭环控制实现最大功率追踪.根据风力涡轮机的功率特性和转矩特性,其捕获的风能为[5]:式中:ρ——空气密度;A——叶片扫掠面积;Vω——上游风速;Cp(λ,β)——风能利用系数;λ——叶尖速比;β——桨距角.叶尖速比λ为风轮叶片的叶尖线速度与上游风速之比,其表达式为:式中:ωm——风轮旋转角速度;R——风轮半径.依据Betz理论,风能利用系数Cp(λ,β)为:式中:由该系数与其变量间的函数关系可知,在相同的叶尖速比下,当桨距角为零时,风能利用系数具有最大值;当桨距角变大时,风能利用系数值随之减小.因此,通过调节桨距角的大小,控制风轮对风能的捕获,便能够实现对发电机输出功率的控制.图1为风机捕获风能后输出的机械功率Pω与风力机转速S的关系.由图1可知,不同风速Vω下每条功率曲线都有一个最大功率点与相应的风能利用系数对应.每一个风况下的最大功率点所连成的曲线便是风机的最大功率曲线Popt.最大功率追踪控制的目的就是始终使风力机在这条曲线上运行[6-7].风力发电机组一般运行在5 种工况下,即起动区、最大风能追踪区、恒转速区、恒功率区、停机区.在起动区、最大风能追踪区、恒转速区,桨距调节系统的数学模型可以看作采用发电机转速参考值ωrref与发电机当前转速ωr差值经过PI控制器的运算,输出的桨距角信号为:式中:Kp1——转速比例调节系数;Ki1——转速积分调节系数.当实测风速大于额定风速且发电机转速达到额定转速时,由于桨距角调节速率的限制,输出功率会超出额定功率,只通过转速控制来调节桨距角,系统控制响应会过慢. 本文主要针对风机进入恒功率区时进行最大功率追踪控制.在这一区域,桨距角的调节值由发电机的实时功率Pmeas与额定功率Pmref的差值经过PI调节得出,其表达式为:式中:Kp2——功率比例调节系数;Ki2——功率积分调节系数.通过快速地调节浆距角来改变风机输出转矩,将机械功率的输出限制在允许的范围内,使发电机在保持传动系统良好柔性的基础上更加稳定地工作.根据式(6)得到基于桨距角控制的机组最大功率追踪控制原理框图如图2所示.由于双馈电机数学模型在两相静止坐标系α-β中的变量是交流量,无法像直流电机一样进行控制.因此,需将α-β坐标系变量变换到以同步角速度ωs旋转的d-q旋转坐标系,双馈电机定、转子电压方程为[8-9]:磁链方程为:式中:Ls——定子电感;Lr——转子电感;M——定转子互感.式中:Lls——定子漏感;Llr——转子漏感.双馈电机发电时,其负载转矩跟随风轮上游的风速变化而变化.因此,如何控制机组运行在稳定的转速下,实时跟踪电磁转矩,对于机组的工作效率以及应变机械转矩的变化至关重要.直接转矩控制的基本原理就是通过控制转子侧脉冲宽度调制逆变器输出的空间电压矢量,使转子磁链沿着圆形轨迹运行,实现对转矩的调节.采用电压-电流模型来观测转子磁链[8-9],其表达式为:电磁转矩的估算表达式为:式中:σ——定转子绕组互感系数;p——电机极对数；γ——定转子磁链的夹角.控制空间电压矢量,需要设置两个滞环比较器来分别调节磁链的幅值和角度,滞环比较器输出结果后通过查表选择相应的矢量,并由逆变器将它们施加在转子侧,完成对转子磁链的调节[10].电压型逆变器含8组开关变量,与7种电压状态相对应,用Ur来表示.其中2种零电压矢量(000)和(111)对应一个电压状态.剩下6种矢量在空间的位置两两间隔60°,其电压矢量的分布如图3所示.磁链滞环比较器、转矩滞环比较器与磁链区间选择器的选择结果,决定逆变器输出的空间电压矢量,选择规则见表1.根据上述原理,搭建基于最大功率追踪的双馈风力发电机直接转矩控制仿真系统如图4所示.以某风电场中1.5 MW双馈风力发电机为参照构建仿真系统,该双馈风力发电机的相关参数如下:风轮半径为30.66 m,齿轮箱变比为97∶1,空气密度为1.22 kg/m3,额定功率为1.5 MW,定子电压为690 V,定子电阻为0.002 3 Ω,转子电阻为0.002 Ω,定子电感为0.002 93 H,转子电感为0.002 97 H,互感为0.002 88 H,转动惯量为18.7 kg·m2.4.1 风速模型首先，按照阵风、渐变风、随机风、基本风的特点搭建风速模型.基本风速设为10.72 m/s,0.32 s时加入4.5 m/s的阵风扰动,0.75 s时基本风速阶跃至6 m/s,0.82 s时阵风扰动消失,风速变化的波形如图5所示.4.2 常规DTC算法的仿真及分析对该1.5 MW双馈式风力发电机使用直接转矩控制策略,其转子磁链轨迹的变化如图6所示.其中,ψx,ψy分别为转子磁链在x轴、y轴上的分量.此时,转子磁链的轨迹近似圆形,图6中参考磁链幅值(即图中较粗的线段)自仿真起始终为0.8 Wb.转子磁链实际值迅速达到参考给定值0.8 Wb,吻合效果较好.将DTC算法进一步用于该风力发电机的有功功率控制,可得到图7所示的输出曲线. 由图7可以看出,对于随机风的扰动,DTC算法能使机组获得稳定的有功功率.但当风速超过12 m/s且有阵风扰动时,机组会跟随风速的变化而变化,导致有功输出超出额定功率,这会引起发电机温度过高,机组电气特性改变,并且缩短机组的使用寿命.因此,采用单纯的DTC还存在不足之处.4.3 融合MPPT与DTC的控制方案将DTC与MPPT两种算法融合在一起,采用变桨执行机构实现对功率的快速响应,可得到如图8所示的响应曲线.对比图7和图8a可见,与常规DTC相比,融合MPPT与DTC的控制方案可使机组的有功功率以更小的幅值波动,并最终稳定在额定功率以下运转.图8b所示的发电机电磁转矩曲线表明,此时电磁转矩能快速响应风速的变化,脉动较小,系统的控制品质得到了较大改善.在变速恒频双馈式风力发电机组中采用融合最大功率追踪和直接转矩控制的控制策略,可避免风力发电机组在进行最大功率追踪时因风速难以实时精确测量而造成的控制质量下降,同时还可解决矢量控制过分依赖机组参数、计算模型复杂等问题.在超过额定风速时,基于最大功率追踪直接转矩控制对于稳定风电机组输出功率、减小功率和转矩的波动取得了良好的控制效果,有效地保障了风力发电机组的安全稳定运行.【相关文献】[1]朱柯丁，宋艺航，谭忠富，等.中国风电并网现状及风电节能减排效益分析[J],2011,44(6):67-70.[2]马卫东.风力发电机组最大功率追踪[J].高压电器,2012,48(7):57-61.[3]刘鑫,曲延滨.双馈风力发电系统最大功率追踪双模控制研究[J].电气传动,2013(6):20-23.[4]王继忠.感应电动机直接转矩控制技术的发展[J].微电机,2012,45(2):83-87.[5]姚兴佳,韩嵩崟，赵希梅，等.变速恒频双馈风力发电机的最大风能追踪控制[J].电气传动,2012,42(7):57-60.[6]韦徵，陈冉，陈宗伟，等.基于功率变化和模糊控制的风力发电机组变速变桨距[J].中国电机工程学报,2011, 31(17):121-126.[8]熊飞,王雪帆,华斌,等.绕线转子无刷双馈电机的d-q轴数学模型[J].电机与控制学报,2015,19(5):81-89.[9]罗萍,吕霞付,唐贤伦,等.感应电机直接转矩控制系统仿真研究[J].电测与仪表,2012,49(3):28-32.[10]葛研军,吴楠.基于SVPWM的无刷双馈电机直接转矩控制[J].微特电机,2011,39(8):58-60.。