雙饋?zhàn)兯俸泐l異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制方法

1、雙饋?zhàn)兯俸泐l異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制方法Control methods of variable speed constant frequency doubly-fed wind generators馬幼捷，武磊，周雪松，（天津理工大學(xué)，天津）摘要：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制方法是個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文對變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理和現(xiàn)有的變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制方法，如開環(huán)解耦控制方法、有功無功解耦控制方法以及功率控制擾動方法進(jìn)行了深入的研究，針對各種控制方法所存在的不足，提出一種改進(jìn)功率控制擾動方法的思路。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；雙饋?zhàn)兯俸泐l；功率控制擾動中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文

2、章編號：（）引言在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)速模型、風(fēng)輪模型、軸系模型、異步發(fā)電機(jī)模型和電網(wǎng)模型1組成，其中異步發(fā)電機(jī)模型是整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心。在當(dāng)今的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，使用變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電的技術(shù)已經(jīng)成為目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向，因此對變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)控制方法的研究已經(jīng)成為了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究中的一個熱點(diǎn)。多年來一些學(xué)者提出了幾種不同的關(guān)于變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制方法，諸如開環(huán)解耦控制方法2、有功-無功解耦控制方法3等，它們都是由在矢量控制方法4基礎(chǔ)上提出，雖然各種控制方法都有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但是在一些方面還是存在著不足，因此又有人提出了功率控制擾動法

3、5，它綜合了間接磁場控制方法和矢量解耦控制方法，同時采用定子磁鏈定向矢量變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙饋異步電機(jī)的有功-無功功率的解耦控制，但是這種方法沒有加入對由風(fēng)速變化引起的轉(zhuǎn)矩波動的控制。因而本文提出一種新的功率控制方法思路，即動態(tài)功率控制擾動方法。運(yùn)行原理如圖1所示。發(fā)電機(jī)為三相繞線式異步電機(jī),定子繞組并網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組外接滑差頻率電源實(shí)現(xiàn)交流勵磁。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率fr變化時，控制勵磁電流頻率f2 以保證定子輸出頻率f1 恒定，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻控制，即f1 = npfr + f2 (1)式中，np 為發(fā)電機(jī)的極對數(shù)。圖1 變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)的基本原理圖變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型交

4、流勵磁雙饋異步發(fā)電機(jī)是一個高階非線性強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，在d-q坐標(biāo)系下的雙饋?zhàn)兯俸泐l異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型表示如下：定子電壓方程：轉(zhuǎn)子電壓方程：變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理和數(shù)學(xué)模型變速恒頻雙饋運(yùn)行原理收稿日期：基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（）作者簡介：馬幼捷（），女，教授，博士，主要從事電力系統(tǒng)分析、控制與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究。第卷第期【】定子磁鏈方程：轉(zhuǎn)子磁鏈方程：電磁轉(zhuǎn)矩方程：忽略電機(jī)定子繞組電阻后，發(fā)電機(jī)定子磁鏈和定子端電壓矢量之間的相位差正好為90。定子磁鏈定向示意圖如2所示。圖2 定子磁鏈定向原理示意圖定子相電壓矢量Um正好落在q軸的負(fù)半軸上，而d軸分量為0。此時定子電壓

5、方程為：相關(guān)控制方法矢量控制方法矢量控制方法利用矢量控制技術(shù)綜合改變變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流的相位和幅值，可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出有功功率和無功功率的控制，矢量控制技術(shù)強(qiáng)調(diào)對控制量的解耦，需要經(jīng)過多次坐標(biāo)變換和反變換，因此控制精度較高，但是多次的坐標(biāo)變換和反變換使系統(tǒng)變的非常復(fù)雜，計(jì)算量很大；同時，控制過程第卷第期中電機(jī)參數(shù)變化對系統(tǒng)控制量的精度也有不可忽視的影響。因此在矢量控制方法的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者提出了關(guān)于功率的解耦控制方法。開環(huán)解耦控制方法和有功無功解耦控制方法開環(huán)解耦控制方法從雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的等效電路圖出發(fā),將變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行3/2坐

6、標(biāo)變換和極坐標(biāo)變換并將電網(wǎng)電壓定向在d-q坐標(biāo)下的q軸上，通過等效電路和坐標(biāo)變換理論形成的這種控制方法，雖然簡化了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性但是由于在電路等效的過程中的一些近似處理，使得系統(tǒng)的控制精度有了明顯的下降。有功-無功解耦控制方法,基于定子磁場定向雙饋發(fā)電機(jī)矢量控制方案，提出了有功-無功雙向功率調(diào)節(jié)的控制方案，此方案結(jié)合3/2坐標(biāo)變換方法和解耦控制理論，實(shí)現(xiàn)了對有功-無功的獨(dú)立解耦控制，但是因其加入解耦控制理論，使的整個過程比較復(fù)雜影響了此控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度。由于以上兩種解耦控制方法是在功率處于靜態(tài)無擾動的情況下提出的 ，在存在功率擾動的情況下其控制精度下降，因此有的學(xué)者提出了功率控制擾動法。功

7、率控制擾動法功率控制擾動法其主導(dǎo)思想是離散迭代控制，風(fēng)力機(jī)在某一特定風(fēng)速下的功率特性曲線是凸函數(shù)，如圖3所示。因此可在系統(tǒng)處于穩(wěn)定時,給轉(zhuǎn)差率一個微小擾動，這一擾動將引起輸出功率的變化。若該變化量大于零則在系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時加上與前次同圖3 固定風(fēng)速風(fēng)機(jī)輸出特性【下轉(zhuǎn)第頁】【】結(jié)論隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,可編程控制器控制的設(shè)備已由單機(jī)擴(kuò)展到FMS(柔性制造系統(tǒng))、CIMS（現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)）等。PLC有較好的邏輯處理功能，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間。PLC-SR-21為“通用型”的可編程控制器，它的機(jī)架、CPU模塊、輸入輸出模塊、信號模塊、功能模塊、電源模塊等是分開的，應(yīng)用非常方面。由于具有強(qiáng)大

8、的編程功能，靈活的應(yīng)用能力，在數(shù)控機(jī)床中，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。實(shí)踐證明，PLC-SR-21在數(shù)控銑床XK5632的應(yīng)用中，具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，提高了XK5632的工作效率和自動化水平。參考文獻(xiàn)：1 劉書華.數(shù)控機(jī)床與編程M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社2001,8.2 廖效果,劉又午.數(shù)控技術(shù)M.湖北:湖北科學(xué)技術(shù)出報(bào)社,2000,(7).3 KOYO PLC 可編程控制器使用說明書Z.無錫:無錫機(jī)床電器廠 2005,(5).4 FAGOR 8050 MS;MG;M INSTALLATION AND START-UP MANUALZ.Spanish:Fagor Automation,S.Coop.Ltda,

9、the 1st Edition November 2004:23-34.5 FANUC PC PROGRAMMER OPERATORs MANUALZ.Japan: FANUC LTD.MAY 2005:45-54.6 FANUC AC SERVO MOTOR M Series DESCRIPTIONS,Japan: FANUC LTD.MAY 2005:68-82.7 FANUC DC SERVO MOTOR M Series DESCRIPTIONS,Japan: FANUC LTD.MAY 2005:72-78.【上接第頁】符號的擾動量，直到輸出功率變化量開始小于零時才改變下一次擾動量的

10、符號如此反復(fù)。風(fēng)力機(jī)的工作點(diǎn)將沿著功率特性曲線移動到最大值附近，并保持一定的波動。參見圖3，假定系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定在a1點(diǎn)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為s1，擾動量在s2和s3之間連續(xù)變化，則此時轉(zhuǎn)差率s為：式中，fm為擾動信號的頻率。由于輸出功率與定子電流q軸分量 Iqs 成正比，測得功率檢測回路的功率時， s1由下式?jīng)Q定：式中, Iqs2和Iqs3分別為功率點(diǎn)a2和a3對應(yīng)的定子電流q軸分量，K為比例系數(shù)。假定定子電流q軸分量與擾動信號的相位差為，由于在2fmt +/2和2fmt +3/2時刻對電流進(jìn)行采樣，系統(tǒng)獲得最大功率時，=(2n+1)/2，其中n為整數(shù)。法是基于固定風(fēng)速時變速異步雙饋恒頻功率發(fā)電機(jī)

11、發(fā)出的不變功率，也就是在固定功率的情況下提出這鐘方法，使的整個控制過程沒有實(shí)現(xiàn)對變速異步雙饋恒頻功率發(fā)電機(jī)的完全解耦，因此在此提出動態(tài)功率控制擾動方法的設(shè)想，就是在功率變化的情況下用功率控制擾動法結(jié)合變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功-無功功率的完全解耦。若驗(yàn)證了此方法的正確性和有效性，對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有功-無功控制具有指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)：1 張興,司媛媛,張強(qiáng),等.基于Labview的虛擬風(fēng)場算法的研究J.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2005,28(9):1062.2 吳冰,李進(jìn)澤,王建良.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開環(huán)解耦控制J.電機(jī)與控制應(yīng)用,2008,35(7):9.3 黃守道,譚健,許錚,等.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功、無功的解耦控制J.電氣傳動,2008,38(9):7.4 楊冬,郭家虎.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的矢量控制研究J.電機(jī)技術(shù) 2008,(5):8.5 王旭東,熊光煜.雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制擾動法仿真研究J.計(jì)算機(jī)仿真,2008,25(11):652.6 惠晶,楊元侃,顧鑫.變速恒頻無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制系統(tǒng)J.電機(jī)與控制應(yīng)用,2008,35(7):27.7 李漪淼,史曉斌.變速恒頻