風(fēng)電系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的研究

　　1 引言

　　在能源消耗日益增長(zhǎng)、環(huán)境污染日漸嚴(yán)重的今天，在對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)利用中，風(fēng)能由于其突出的優(yōu)點(diǎn)而成為世界各國(guó)普遍重視的能源，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也成為各國(guó)學(xué)者竟相研究的熱點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，其核心技術(shù)之一為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制技術(shù)。本文主要是對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行探究。

　　2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)理

　　在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中將雙饋電機(jī)定子接到工頻電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子接到四象限變頻器上，使定轉(zhuǎn)子同時(shí)饋電，所以稱該電機(jī)為雙饋電機(jī)[1]。交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示[2]。其中：f1、f2分別為dfig定、轉(zhuǎn)子電流的頻率;n1為定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速;n2為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速即轉(zhuǎn)差速度;nr為dfig轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速;np為dfig極對(duì)數(shù)。

　　由電機(jī)學(xué)的知識(shí)可得到計(jì)算公式：

　　由式(3)知：當(dāng)dfig的轉(zhuǎn)速nr變化時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率f2來(lái)保持定子輸出電流的頻率f1恒定，這就是dfig實(shí)現(xiàn)變速恒頻的原理。

　　由上述分析，可得dfig的運(yùn)行狀態(tài)如下[3]：

　　(1)當(dāng)nr0，轉(zhuǎn)子電流的相序與定子相同，定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，此時(shí)勵(lì)磁變頻器向轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁電流，定子向電網(wǎng)輸出電能;

　　(2)當(dāng)nr>n1時(shí)，dfig處于超同步發(fā)電運(yùn)行，f2<0，轉(zhuǎn)子電流的相序與定子相反，定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，此時(shí)定、轉(zhuǎn)子均向電網(wǎng)輸出電能;

　　(3)當(dāng)nr=n1時(shí)，dfig處于同步速運(yùn)行，f2=0，勵(lì)磁變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。

　　3 網(wǎng)側(cè)勵(lì)磁變換器的設(shè)計(jì)

　　前面已經(jīng)討論了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用雙pwm變換器進(jìn)行交流勵(lì)磁[4]，如圖1所示，網(wǎng)側(cè)變換器和電機(jī)側(cè)變換器的主電路結(jié)構(gòu)完全相同，只是工作狀態(tài)不同而已。網(wǎng)側(cè)變換器采用三相vsr整流器，主要完成以下控制目標(biāo)：保持輸出直流電壓恒定且有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力;確保交流側(cè)輸入電流波形正弦化，功率因數(shù)為1;能量可以雙向流動(dòng)。

　　為了完成以上任務(wù)，該部分首先建立三相vsr(voltage source rectifier)的數(shù)學(xué)模型，再采用電網(wǎng)電壓定向的控制方式來(lái)簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。三相電壓型pwm整流器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，主要有交流輸入側(cè)三相電壓源為ua、ub、uc;進(jìn)線電感為la、lb、lc;進(jìn)線電感的等效電阻為ra、rb、rc，三對(duì)全控型功率器件igbt、直流側(cè)輸出電容c和可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的直流側(cè)負(fù)載rl和el。

　　本論文網(wǎng)側(cè)變換器控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，即外環(huán)為電壓環(huán)、內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。

　　令網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓為：

　　式中，kip和kii為電流內(nèi)環(huán)比例增益和積分增益;iq*和id*分別為電流iq和id的指令值。

　　綜合以上分析，按照電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以構(gòu)建出完整的網(wǎng)側(cè)pwm變換器及其控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖3所示。

　　4 轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)

　　4.1 轉(zhuǎn)子側(cè)最大風(fēng)能追蹤控制機(jī)理

　　風(fēng)能是一種具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性的能源。若要使風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的效率最高且風(fēng)施加給風(fēng)力機(jī)的機(jī)械力較小，應(yīng)該控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同的風(fēng)速下運(yùn)行在各自對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速處[6]。采用雙pwm變換器進(jìn)行交流勵(lì)磁的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其運(yùn)行速度可以改變。在槳距角和風(fēng)速一定時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)cp隨著風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，從而使風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率pmec變化，也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)速n變化，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的效率不同。如圖4為風(fēng)力機(jī)在槳距角β=0°時(shí)對(duì)應(yīng)于不同風(fēng)速下輸出的機(jī)械功率。縱坐標(biāo)為風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率，是以其額定功率pnmec為基值的標(biāo)幺值，pnmec=100kw;橫坐標(biāo)為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，是以dfig的同步轉(zhuǎn)速n1為基值的標(biāo)幺值，n1=1800r/min。

　　從圖4可以看出，在同一風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率隨風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化，每一種風(fēng)速下都存在一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)cpmax。將各個(gè)風(fēng)速下的最大輸出功率點(diǎn)連接起來(lái)，就可以得到風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率的最佳曲線，如圖4中曲線pmopt所示。要使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在這條曲線上，必須在風(fēng)速變化時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，以保持最佳葉尖速比，此時(shí)風(fēng)力機(jī)才滿足最大機(jī)械功率輸出。

　　4.2 轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電源矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　定子、轉(zhuǎn)子繞組電壓方程分別為：

　　顯然，若將δurd、δurq視為消除轉(zhuǎn)子電壓、電流交叉耦合的補(bǔ)償項(xiàng)，則u′rd、u′rq分別與ird、irq構(gòu)成一階慣性環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制。這樣做可以在保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　綜合以上分析，若按照以發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無(wú)功功率為控制目標(biāo)，主要包括功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)、磁鏈計(jì)算環(huán)節(jié)和坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)。若要最大程度地追蹤風(fēng)能，可以設(shè)計(jì)出帶有風(fēng)力機(jī)控制子系統(tǒng)的交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的矢量控制框圖如圖5所示。

　　5 仿真研究

　　(1)dfig(繞組折算后)

　　額定功率pn=110kw，定子額定電壓un=575v(線電壓)，額定頻率fn=60hz;極對(duì)數(shù)np=2;額定轉(zhuǎn)速nn=1785r/min;定子繞組電阻rs=0.01553(pu);定子繞組漏感：lls=0.0541(pu);轉(zhuǎn)子繞組電阻rr=0.008913(pu);轉(zhuǎn)子繞組漏感l(wèi)lr=0.0541(pu);互感l(wèi)m=2.04(pu);慣性常數(shù)h=0.3175;摩擦因數(shù)f=0.006613;初始轉(zhuǎn)差率s=-0.09;定、轉(zhuǎn)子繞組y/y接法。轉(zhuǎn)子繞組電阻和漏感均折算到定子側(cè)。

　　(2)風(fēng)力機(jī)

　　額定輸出機(jī)械功率pnmec= 100kw;最大風(fēng)能系數(shù)cpmax=0.48;葉尖速比λopt=8.1。

　　(3)雙pwm型變換器

　　額定功率22kw;直流環(huán)節(jié)電容c=0.06f;直流環(huán)節(jié)給定電壓un=1200v;進(jìn)線電抗器l=0.3(pu);進(jìn)線電抗器的等效電阻r=0.003(pu);開(kāi)關(guān)頻率fs=1620hz。

　　仿真模型中選擇電壓的基準(zhǔn)值為，功率的基準(zhǔn)值為pb=110kw，電流的基準(zhǔn)值為。

　　假定電網(wǎng)電壓為恒定的理想正弦交流電。當(dāng)給定風(fēng)速vwind=10m/s時(shí)，根據(jù)圖5可確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最佳轉(zhuǎn)速為dfig同步速的1.09倍，此時(shí)dfig工作在超同步速發(fā)電狀態(tài)電網(wǎng)電壓在t=0.035s時(shí)突變?yōu)樵瓉?lái)的0.8倍，在t=0.135s時(shí)恢復(fù)到起始值，此時(shí)的仿真結(jié)果如圖6～11所示。

　　由圖9可見(jiàn)，通過(guò)交流勵(lì)磁電源的控制，電網(wǎng)電壓突變時(shí)dfig轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仍保持在最佳轉(zhuǎn)速處。圖10和圖11分別為電網(wǎng)電壓突變時(shí)dfig輸送給電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率。顯然，在t=0.035s和t=0.135s時(shí)，dfig輸送給電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率產(chǎn)生振蕩，經(jīng)過(guò)交流勵(lì)磁電源控制系統(tǒng)的調(diào)整作用，最終趨于穩(wěn)定。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　論文中所設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能追蹤和對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功功率和無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)節(jié)。在設(shè)計(jì)dfig的交流勵(lì)磁電源的控制器時(shí)，使用雙閉環(huán)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法，其參數(shù)自適應(yīng)性較差。在以后的研究中可以將基于自適應(yīng)的智能控制算法應(yīng)用其中，可以得到更理想的效果。