1 引言
風(fēng)能作為一種經(jīng)濟(jì)可行的綠色清潔可再生能源，受到人們的廣泛關(guān)注。近年來風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，mw級風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)。如何最大限度利用風(fēng)能提高發(fā)電效率已成為研究的重點(diǎn)。在風(fēng)力發(fā)電的電控系統(tǒng)中，變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于能突破恒速恒頻系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，能夠最大限度捕獲風(fēng)能以提高發(fā)電效率，并能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率、無功功率的控制，對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，已成為目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主流方向。
圖1 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
本文在分析變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成(見圖1)和工作原理的基礎(chǔ)上，依據(jù)定子磁場定向矢量控制原理詳細(xì)地研究了雙饋發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制策略，實(shí)現(xiàn)了雙饋發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)，減少了并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊。針對風(fēng)機(jī)的特性和空氣的密度等參數(shù)的不確定性可能會造成最大風(fēng)能捕獲的軌跡偏移，輸出功率將有所損失，因此采用了一種基于變步長轉(zhuǎn)速擾動的最大風(fēng)能捕獲算法，并在自主研制的110kw變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電模擬平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
2 采用定子磁場定向的雙饋發(fā)電機(jī)的矢量控制策略
圖2為雙饋發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)圖。在同步旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)系中，將定子側(cè)取發(fā)電機(jī)的慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)取電動機(jī)慣例，由于定子繞組的電阻比其電抗小很多，定子繞組上的電阻壓降可以忽略不計。定子磁鏈與定子電壓矢量近似互相垂直，當(dāng)把dq坐標(biāo)系的d軸定向在定子磁鏈上時，定子磁鏈的q軸分量為零，相電壓矢量比磁鏈?zhǔn)噶繙?0°，則和q軸的負(fù)方向重合。
并網(wǎng)過程及其控制策略可分為空載并網(wǎng)和并網(wǎng)后兩個階段。
(1)空載并網(wǎng)控制策略
并網(wǎng)前雙饋發(fā)電機(jī)處于空載狀態(tài)，定子側(cè)和電網(wǎng)脫離，即定子側(cè)開路
(1)
把式（1）代入定子磁鏈方程中，可得：
(2)
同理把式（1）代入轉(zhuǎn)子磁鏈方程中，可得：
(3)
把
代入轉(zhuǎn)子電壓方程可得
(4)
式(1)～式(4)構(gòu)成了雙饋發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)此數(shù)學(xué)模型可設(shè)計空載并網(wǎng)的控制策略，得到其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 雙饋發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)圖
變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在起動過程中，當(dāng)風(fēng)機(jī)帶動發(fā)電機(jī)升速達(dá)到發(fā)電機(jī)的最小運(yùn)行速度時，轉(zhuǎn)子回路中的變流器開始工作，動態(tài)地控制定子繞組的空載端電壓跟隨電網(wǎng)電壓，并迅速達(dá)到同步。在起動過程中，雙饋發(fā)電機(jī)采用電壓控制，通過控制轉(zhuǎn)子電流的幅值、相位和頻率使并網(wǎng)條件自動得到滿足。即定子繞組的三相電壓的幅值、相位、頻率和電網(wǎng)三相電壓的幅值、相位、頻率相一致。
并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)處于空載狀態(tài)，即有功功率為零，由上述空載并網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型可知irq=0，在圖2的空載并網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)中，設(shè)計q軸電流的pi調(diào)節(jié)器保證irq=0，即保證有功功率為零，這時發(fā)電機(jī)所需無功功率全都由轉(zhuǎn)子電流提供。d軸的pi調(diào)節(jié)器用來控制轉(zhuǎn)子的勵磁電流，它的指令信號ird*由電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出給出，電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器用于控制定子側(cè)的電壓幅值與電網(wǎng)電壓幅值保持一致。
(2)并網(wǎng)后的控制策略
如果定子磁鏈保持恒定，則由雙饋發(fā)電機(jī)在同步坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可得：
(5)
(6)
式中：
。
由式（5）和式（6）可得到如下兩個參數(shù)：
(7)
(8)
還可得到轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的d軸電流和q軸電流：
(9) 
(10)
(11)
其中rs、rr、ls、ls為定、轉(zhuǎn)子繞組的電阻和電感，ls為定轉(zhuǎn)子繞組間的互感，ωs為同步角速度，ψ1為定子磁鏈，pn為電機(jī)極對數(shù)。
式(5)～(11)構(gòu)成了基于定子磁場定向矢量控制的雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后數(shù)學(xué)模型，據(jù)此得到雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，該結(jié)構(gòu)采用雙閉環(huán)控制策略，其中內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)。在速度環(huán)中，轉(zhuǎn)速給定是由最大風(fēng)能捕獲曲線決定的，速度調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩電流調(diào)節(jié)器的給定，轉(zhuǎn)子勵磁電流調(diào)節(jié)器的給定由無功補(bǔ)償量決定，同時受到發(fā)電機(jī)額定容量的限制。
圖3 雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電控制結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)定子磁鏈ψ1保持恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩電流irq成正比，轉(zhuǎn)子勵磁由勵磁電流ird決定。
當(dāng)定子側(cè)的功率被控制為單位功率因數(shù)時，發(fā)電機(jī)的勵磁電流全部由轉(zhuǎn)子提供。由式(7)和式(8)確定的urdc、urqc為消除轉(zhuǎn)子電壓、電流交叉耦合的補(bǔ)償項(xiàng)，在經(jīng)過前饋補(bǔ)償去除由反電動勢引起的交叉耦合項(xiàng)后，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的d軸分量和q軸分量分別控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子勵磁之間的完全解耦控制，亦即有功功率和無功功率的分別控制。
3 最大風(fēng)能捕獲的控制策略
任何一臺風(fēng)機(jī)都有特定的功率速度曲線如圖4所示，其表達(dá)式為：
(12)
其中：pm為風(fēng)機(jī)輸出機(jī)械功率；cp(λ)為功率系數(shù)葉尖速比λ的函數(shù)；rm為風(fēng)輪半徑；v為風(fēng)速；ω為風(fēng)機(jī)角速度。
圖4 發(fā)電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速曲線
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在具有隨機(jī)性的風(fēng)場中運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速或風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時都會引起輸出功率的變化。對應(yīng)于某一風(fēng)速，都存在某一風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使發(fā)電機(jī)輸出功率最大。發(fā)電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線族如圖4所示，把該曲線族的最大值點(diǎn)連接可得到一條最大功率曲線。雙饋發(fā)電機(jī)的最大風(fēng)能捕獲機(jī)制是在風(fēng)速變化時通過控制轉(zhuǎn)子的電轉(zhuǎn)速，使雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，使風(fēng)機(jī)的輸出功率最大。但是，在實(shí)際系統(tǒng)中式（12）給出的cp(λ)參數(shù)取決于風(fēng)機(jī)本身的特性和空氣的密度，該參數(shù)的不確定性可能會造成最大風(fēng)能捕獲的軌跡偏移，不能充分利用現(xiàn)有設(shè)備輸出最大功率。為此本系統(tǒng)采用了一種基于變步長轉(zhuǎn)速擾動的最大風(fēng)能跟蹤算法，期望在風(fēng)速和運(yùn)行環(huán)境變化的條件下使系統(tǒng)運(yùn)行于最大功率點(diǎn)，該算法可簡述如下：
設(shè)第k次采樣時，相對于k-1次采樣的功率變化量為δp，轉(zhuǎn)速變化量為δω，若功率變化量δp小于某一閾值，可認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到當(dāng)前風(fēng)速下的最大功率點(diǎn)，速度外環(huán)維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速不變。若功率變化量δp大于該閾值，則通過改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的指令信號來尋找真正的最大功率點(diǎn)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的指令信號的變化方向如附表所示。
指令信號的大小由式(13)給出。
(13)
附表 轉(zhuǎn)速指令方向判斷
由附表可以看到，δp(k)反映δω（k-1）所產(chǎn)生的效果，跟蹤算法根據(jù)該效果確定本次對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。考慮到避免最大功率點(diǎn)的誤判，ki應(yīng)取不同風(fēng)速區(qū)間的最小值，算法的執(zhí)行周期應(yīng)大于速度環(huán)的周期。
4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論
為驗(yàn)證上述控制策略的實(shí)用性，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了110kw的變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電的模擬平臺。
雙饋發(fā)電機(jī)參數(shù)：pn=110kw，us=380v，is=214a，ur=505v，ir=132a，n=990r/min，rs=0.032ω，rr=0.028ω，ls =0.21h, lr=0.32h，lm=2.13h。網(wǎng)側(cè)變流器的額定功率為30kw，直流母線電壓400v，直流側(cè)平波電容6600μf，網(wǎng)側(cè)電感0.7mh，額定電流90a。另外用變頻器驅(qū)動一臺三相鼠籠式異步電機(jī)在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬風(fēng)力機(jī)的特性。控制系統(tǒng)采用雙dsp的控制結(jié)構(gòu)分別控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器。
圖5(a)為并網(wǎng)前定子和電網(wǎng)的交流電壓，可以看出在并網(wǎng)前定子和電網(wǎng)電壓的幅值、頻率、相位須基本趨于保持一致以滿足符合并網(wǎng)條件的要求。圖5(b)為并網(wǎng)過程中定子電流和定子電壓的波形。在本文介紹的空載并網(wǎng)策略控制下，定子電流在并網(wǎng)時刻對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊比較小，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程較快，基本實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)。圖5(c)為雙饋發(fā)電機(jī)在單位功率因數(shù)下定子側(cè)a相電壓、電流波形，此時發(fā)電機(jī)勵磁全部由轉(zhuǎn)子提供，發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸出的全是有功功率，圖5（d）為風(fēng)速階躍時irq反饋信號和指令信號，irq反饋信號基本跟隨指令信號，動態(tài)響應(yīng)較快，即發(fā)電機(jī)能迅速達(dá)到當(dāng)前風(fēng)速下最大功率點(diǎn)所對應(yīng)的的轉(zhuǎn)速，較好的追蹤最大風(fēng)能捕獲曲線。
(a) 并網(wǎng)前定子與電網(wǎng)的交流電壓 (b)并網(wǎng)過程中的定子電流與電壓
(c) 并網(wǎng)后定子電壓、電流波形 (d) 風(fēng)速階躍時irq、irq*
圖5 試驗(yàn)樣機(jī)上獲得的部分波形
5 結(jié)束語
本文詳細(xì)分析了雙饋發(fā)電機(jī)的基于定子磁場定向矢量控制原理，采用基于電壓外環(huán)反饋的空載并網(wǎng)的控制策略和最大功率點(diǎn)跟蹤的并網(wǎng)發(fā)電控制策略，構(gòu)建了110kw變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電模擬平臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用以上控制策略實(shí)現(xiàn)了空載時的軟并網(wǎng)，對電網(wǎng)沖擊較小，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)后有功、無功功率的前饋解耦控制和最大風(fēng)能捕獲曲線的追蹤。為大功率的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究提供了良好的平臺。
作者簡介
謝 震(1977-) 男 博士，研究方向：電力電子與電力傳動。
參考文獻(xiàn)（略）
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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