變槳距雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩控制研究

變槳距雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩控制研究

0風(fēng)力機(jī)機(jī)組并網(wǎng)策略研究隨著化石能源的不斷開發(fā)和社會環(huán)境效應(yīng)的改善，可支配能源利用技術(shù)的發(fā)展變得越來越受到重視。風(fēng)力發(fā)電以其無污染、低成本等優(yōu)越性,日益受到重視。風(fēng)電機(jī)組向大容量、高效率發(fā)展的趨勢,使變槳距雙饋型風(fēng)機(jī)成為主流機(jī)型,其結(jié)構(gòu)如圖1所示:雙饋感應(yīng)電機(jī)(doubly-fedinductiongenerator,DFIG)定子直接并入電網(wǎng),轉(zhuǎn)子通過雙向變頻器與電網(wǎng)連接。這種結(jié)構(gòu)比定槳距失速型風(fēng)機(jī)具有更高的風(fēng)能利用效率,尤其體現(xiàn)在低風(fēng)速時的最大風(fēng)能追蹤運行方面。而且,轉(zhuǎn)子勵磁方式使所需變頻器容量只是機(jī)組額定功率的一部分,使得整機(jī)成本大大降低。另一方面,變槳系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角而改變風(fēng)輪的氣動特性,機(jī)組控制方式更加靈活。目前,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量已經(jīng)發(fā)展到兆瓦級水平,大功率機(jī)組并網(wǎng)時引起的電流沖擊已經(jīng)不能忽視。較大的沖擊電流不但會引起電網(wǎng)電壓的大幅下降,而且還會損壞發(fā)電機(jī),更嚴(yán)重時還會威脅電網(wǎng)安全。因此,深入研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)技術(shù)是保障風(fēng)電機(jī)組正常運行的前提。適合變速恒頻風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)方式主要有空載并網(wǎng)、負(fù)載并網(wǎng)、直接并網(wǎng)以及孤島并網(wǎng)。其中空載并網(wǎng)以其實現(xiàn)簡單、性能優(yōu)良而備受關(guān)注,但是目前的研究大多集中在電機(jī)控制上。由于風(fēng)電場環(huán)境的復(fù)雜性和風(fēng)能的隨機(jī)性,風(fēng)機(jī)在并網(wǎng)前的升速階段并不平穩(wěn)。雖然轉(zhuǎn)子交流勵磁的雙饋電機(jī)與電網(wǎng)之間的“柔性連接”在一定電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都可以調(diào)整定子電壓,使其滿足并網(wǎng)條件,但是由于電機(jī)處于空載狀態(tài),風(fēng)輪不斷加速,同期捕捉時間過長會出現(xiàn)電機(jī)超速而引起保護(hù)動作。而變槳距機(jī)構(gòu)的主要功能就是調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角來控制風(fēng)輪吸收的風(fēng)能,所以在并網(wǎng)期間變槳距系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對維持風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及成功并網(wǎng)意義重大。本文針對變槳距型雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制進(jìn)行研究。首先深入分析并網(wǎng)前電機(jī)控制策略和槳距控制策略,并將二者相結(jié)合應(yīng)用于并網(wǎng)控制。然后根據(jù)并網(wǎng)前后發(fā)電機(jī)控制策略的不同,提出一種控制系統(tǒng)無擾切換方案。最后針對并網(wǎng)前后電機(jī)運行狀態(tài)不同、難以統(tǒng)一建模的問題,采用分開建模、分時仿真的思路組建系統(tǒng)模型,實現(xiàn)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)全過程仿真,為并網(wǎng)策略驗證提供條件。結(jié)果表明文中所提并網(wǎng)控制系統(tǒng)既能滿足發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件,又能有效控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,且并網(wǎng)瞬間定子電流過渡平穩(wěn),對電網(wǎng)沖擊很小,具有良好的實用價值。1網(wǎng)絡(luò)控制1.1轉(zhuǎn)子并網(wǎng)控制雙饋發(fā)電機(jī)將風(fēng)力機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,是風(fēng)電系統(tǒng)的核心設(shè)備。在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型,為解耦控制,將d軸定向于雙饋電機(jī)定子磁鏈Ψs,如圖2所示。定子側(cè)取發(fā)電機(jī)慣例,轉(zhuǎn)子側(cè)取電動機(jī)慣例,結(jié)合定向條件可得式中:uds、uqs、udr、uqr分別為定、轉(zhuǎn)子d、q軸電壓;Us為電網(wǎng)電壓矢量幅值;ids、iqs、idr、iqr分別為定轉(zhuǎn)子d、q軸電流;ψds、ψqs、ψdr、ψqr分別為定轉(zhuǎn)子d、q軸磁鏈;ψs為定子磁鏈?zhǔn)噶糠?ω1為同步角速度;ωr為轉(zhuǎn)子角速度;rs、rr分別為定轉(zhuǎn)子等效電阻;Ls、Lr、Lm分別為定轉(zhuǎn)子等效自感和互感;Te為電磁力矩;np為電機(jī)極對數(shù);P為微分算子。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件為:定子電壓和電網(wǎng)電壓的幅值、頻率以及相位相同。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制就是在并網(wǎng)之前調(diào)節(jié)定子電壓,滿足并網(wǎng)條件后進(jìn)行并網(wǎng)操作。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前定子空載,并網(wǎng)控制的實質(zhì)就是依據(jù)電網(wǎng)電壓(頻率、幅值和相位)信息,通過改變轉(zhuǎn)子的勵磁電流,調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子電壓符合并網(wǎng)條件。由于并網(wǎng)前定子線圈中沒有電流,即ids=0,iqs=0。代入式(5)(7)可得代入式(6)可得由式(9)所表示的轉(zhuǎn)子控制電壓方程可以設(shè)計出并網(wǎng)矢量控制系統(tǒng),如圖3所示,其中控制器都采用比例積分控制器(proportionintegration,PI),d、q支路控制電壓udr、uqr經(jīng)過前饋解耦項補(bǔ)償后,由坐標(biāo)變換形成三相交流控制電壓信號,再經(jīng)過脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)(pulse-widthmodulation,PWM)驅(qū)動逆變器為轉(zhuǎn)子勵磁以滿足并網(wǎng)條件。由式(8),idr設(shè)定值可以直接給出,但電感參數(shù)的誤差將直接影響定子電壓幅值調(diào)整的精度,所以本文采用定子電壓外環(huán)的串級控制系統(tǒng)。同時,考慮到動態(tài)過程中磁場定向的誤差,iqr可能不為零,于是對iqr也進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。在不改變系統(tǒng)響應(yīng)速度的前提下,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。在上述電機(jī)并網(wǎng)控制系統(tǒng)中,定子電壓頻率是通過調(diào)整轉(zhuǎn)子勵磁頻率來滿足的,也就是說對并網(wǎng)時刻電機(jī)轉(zhuǎn)速沒有嚴(yán)格要求。但實際上受機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,電機(jī)轉(zhuǎn)速需要控制在一定范圍之內(nèi)。由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前沒有電磁轉(zhuǎn)矩,所以一直處于加速狀態(tài),同期時間較長會造成電機(jī)超速,而引起并網(wǎng)失敗。所以,對于變槳距風(fēng)機(jī),充分利用槳距角可調(diào)的優(yōu)勢對并網(wǎng)前穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)速在同步速附近,提高并網(wǎng)控制成功率十分關(guān)鍵。1.2風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速變槳控制風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置,從風(fēng)能中吸收的功率為式中:Pm為風(fēng)輪吸收功率;Tm為風(fēng)輪機(jī)械轉(zhuǎn)矩;n為齒輪箱增速比;ρ為空氣密度;R為風(fēng)輪半徑;v為風(fēng)速;ωm為風(fēng)輪機(jī)械角速度;λ為葉尖速比;β為漿葉節(jié)距角;CP(β,λ)為風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù),它是λ和β的函數(shù),最大值是貝茲極限的59.3%,精確計算需要空氣動力學(xué)和有限元方面的知識。本文采用以下函數(shù)擬和:風(fēng)力機(jī)CP(β,λ)曲線如圖4所示?？梢钥闯?對于一臺確定的風(fēng)力機(jī),在槳葉節(jié)距角β一定時,不同的葉尖速比對應(yīng)不同的功率系數(shù),有一個對應(yīng)著最佳功率系數(shù)Cpmax的最佳葉尖速比λopt,使風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能的效率最高。也就是說,對一個特定風(fēng)速v,風(fēng)力機(jī)只有運行在一個特定轉(zhuǎn)速ωm下才會有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。同時,當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時,即對于同一個特定的λ,隨著槳距角增大,風(fēng)機(jī)捕捉風(fēng)能的效率逐漸降低。變槳距控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng),其控制過程如圖5(a)所示。變槳距控制器是一個非線性比例控制器,它可以補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)和極限。變槳系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是液動或電動伺服系統(tǒng)。槳距控制器的輸出信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成電壓信號控制伺服系統(tǒng),推動變槳距機(jī)構(gòu),改變槳葉節(jié)距角。伺服機(jī)構(gòu)的位置反饋信號由傳感器測量轉(zhuǎn)換后輸入比較器。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如圖5(b)所示,采用PI控制器。槳距角的非線性化環(huán)節(jié)通過非線性化處理,增益隨槳距角的增大而減小,以此補(bǔ)償由于轉(zhuǎn)子空氣動力學(xué)產(chǎn)生的非線性。這樣,在風(fēng)機(jī)從待機(jī)到并網(wǎng)前,通過對槳距角的控制,使轉(zhuǎn)速以一定的速率上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)同步速附近時穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,配合電機(jī)控制系統(tǒng)完成并網(wǎng)。2轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)并網(wǎng)后,由于電機(jī)運行狀態(tài)改變,電機(jī)控制系統(tǒng)也相應(yīng)切入并網(wǎng)后控制策略[7,8,9,10,11,12,13,14,15]。勵磁系統(tǒng)通過控制轉(zhuǎn)子電流來調(diào)節(jié)定子電流,以滿足并網(wǎng)后運行需要。由式(1)~(4)可以得到此時的轉(zhuǎn)子控制電壓方程為結(jié)合式(5)(6)可得到圖6所示雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。采用基于定子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng),實現(xiàn)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子勵磁之間的解耦。再經(jīng)過前饋補(bǔ)償去除由反電動勢引起的交叉耦合項后,可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量分別控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。控制系統(tǒng)切換策略直接影響到并網(wǎng)瞬間轉(zhuǎn)子控制電壓的平穩(wěn)過渡,進(jìn)一步影響到定子沖擊電流大小。并網(wǎng)前后idr、iqr內(nèi)回路控制結(jié)構(gòu)相同,可以統(tǒng)一;外回路設(shè)定不同,需要進(jìn)行無擾切換。如圖7(a)所示,并網(wǎng)前開關(guān)接到位置1,由電壓控制器給出電流設(shè)定,此時無功PI的輸入跟蹤反饋,所以控制器輸出為零,疊加上電壓控制器輸出,使位置2的輸出跟蹤位置1。在并網(wǎng)瞬間,開關(guān)接到位置2,無功系統(tǒng)以當(dāng)前的設(shè)定開始調(diào)節(jié),確保idr設(shè)定無擾切換。圖7(b)中并網(wǎng)前轉(zhuǎn)速設(shè)定跟蹤反饋,轉(zhuǎn)速PI輸出為0,所以并網(wǎng)時刻iqr設(shè)定可無擾切換到位置2。通過上述策略,可以有效防止并網(wǎng)瞬間由于電機(jī)控制系統(tǒng)切換而帶來的控制電壓擾動,從而進(jìn)一步減小對電網(wǎng)的沖擊,提高并網(wǎng)控制水平。3建模模擬3.1風(fēng)力機(jī)的模擬模型由式(10)~(14)可組建風(fēng)力機(jī)仿真模型,見圖8。3.2并網(wǎng)后負(fù)載電機(jī)建模仿真Matlab/Powersystems模型庫中提供的電機(jī)模型不能空載運行,所以需要根據(jù)電磁方程自行搭建符合要求的電機(jī)模型。而電機(jī)在并網(wǎng)前、后的運行狀態(tài)又存在著本質(zhì)區(qū)別,這體現(xiàn)在由于并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)空載,定子電壓為輸出量;并網(wǎng)后定子電壓受電網(wǎng)電壓的鉗制為輸入量。由于數(shù)學(xué)模型不同,使得建立統(tǒng)一的電機(jī)仿真模型存在困難。為解決上述問題,本文采用分開建模、分時仿真的思路,利用Matlab/Simulink通用模型庫,分別建立并網(wǎng)前的空載電機(jī)模型和并網(wǎng)后的發(fā)電電機(jī)模型,如圖9(a)(b)所示。并網(wǎng)前空載電機(jī)模型工作,負(fù)載電機(jī)模型凍結(jié);并網(wǎng)條件滿足后,由并網(wǎng)脈沖凍結(jié)空載電機(jī)模型,并將此刻電機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)[uds,uqs,udr,uqr,ids,iqs,idr,iqr,ωr,Te]轉(zhuǎn)移到負(fù)載電機(jī)模型中并將其激活。以這種方法對電機(jī)的并網(wǎng)切換過程進(jìn)行完整的建模仿真,結(jié)合風(fēng)力機(jī)模型得到整體系統(tǒng)模型如圖9(c)所示。這樣一來,使并網(wǎng)過程得以連續(xù)仿真,為研究并網(wǎng)策略的有效性提供了條件。3.3仿真結(jié)果與分析基于上述仿真模型,對本文提出的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制方案進(jìn)行驗證,系統(tǒng)參數(shù)如下:風(fēng)輪半徑為2.4m,槳葉目數(shù)為3,風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量為2.18×103kg/m2,齒輪箱增速比為1:7.846,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量為0.89kg/m2,發(fā)電機(jī)極數(shù)為4,額定功率為2.4kw,電網(wǎng)頻率為50Hz。首先對變槳距系統(tǒng)在并網(wǎng)控制中的應(yīng)用進(jìn)行研究。圖10所示為風(fēng)機(jī)并網(wǎng)前的同期過程,風(fēng)速穩(wěn)定在6m/s(切入風(fēng)速為4.5m/s),風(fēng)機(jī)平穩(wěn)升速至電機(jī)轉(zhuǎn)速為140rad/s(同步速為157rad/s)時投入勵磁系統(tǒng)。圖10(a)(c)(e)(g)(i)分別為定槳距控制下定子一相電壓、電壓誤差、轉(zhuǎn)子電流、槳距角、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果;圖10(b)(d)(f)(h)(j)分別為變槳距控制下定子一相電壓、電壓誤差、轉(zhuǎn)子電流、槳距角、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果。從圖10(a)(b)(c)(d)可以看出,電機(jī)并網(wǎng)控制系統(tǒng)可以滿足不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下機(jī)端電壓的調(diào)整要求,這主要通過控制轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值、相角、頻率來實現(xiàn)。在槳距角不參與調(diào)節(jié)的情況下,由于并網(wǎng)前電機(jī)系統(tǒng)不能提供電磁轉(zhuǎn)矩,如圖10(i)所示,電機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)上升以至超同步運行,此時勵磁系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子施加逆序電流來維持定子電壓頻率,如圖10(e)所示。而結(jié)合變槳距控制后,如圖10(h)所示,由于槳距角增大使風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用效率降低,所以圖10(j)所示中,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以很好地控制在同步速附近。此時勵磁系統(tǒng)只需要補(bǔ)償很少一部分轉(zhuǎn)差頻率,如圖10(f)所示。在實際機(jī)組運行中,風(fēng)場環(huán)境的復(fù)雜性、隨機(jī)性會影響到機(jī)組運行狀態(tài),進(jìn)而使并網(wǎng)同期條件滿足時間較長;而結(jié)合了變槳距控制后,則可以主動調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,從而減少了發(fā)電機(jī)超速的可能性。下面對變槳距控制下并網(wǎng)過程進(jìn)行仿真,重點檢驗并網(wǎng)前后不同電機(jī)控制策略的無擾切換。如圖11所示:在變槳距控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下,電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在同步速附近,1.8s時并入電網(wǎng)。并網(wǎng)后變槳距控制系統(tǒng)迅速將槳葉節(jié)距角置為零,以追蹤最大風(fēng)能,如圖11(b)所示。在電機(jī)并網(wǎng)控制系統(tǒng)向轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)切換的過程中,由于采取了無擾切換策略,轉(zhuǎn)子勵磁電壓在并網(wǎng)瞬間沒有突變,如圖11(d)所示。這就保證了定子電流無沖擊,如圖11(c)所示。并網(wǎng)后,電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)開始調(diào)整轉(zhuǎn)速,追蹤該風(fēng)速下的最大風(fēng)能,機(jī)組有功功率穩(wěn)步上升,如圖11(e)所示。通過對仿真曲線的分析,可證明本文提出的并網(wǎng)前后電機(jī)控制系統(tǒng)切換策略