基于雙饋電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲研究

基于雙饋電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲研究

0發(fā)電控制系統(tǒng)風(fēng)發(fā)電作為一種具有巨大潛力的清潔能源，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。隨著大型斗式爐制造和流量調(diào)節(jié)的成熟，電氣工程系統(tǒng)開(kāi)始大規(guī)模調(diào)整。早期的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大多采用鼠籠式電機(jī),它直接并入電網(wǎng),以恒速恒頻的方式運(yùn)行,這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,但對(duì)電網(wǎng)有一定沖擊,風(fēng)能利用效率也不高。近年來(lái),變速恒頻技術(shù)被應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電控制中,相關(guān)的研究涉及槳距控制、建模與仿真以及并網(wǎng)發(fā)電的穩(wěn)定性等,但主要研究還是其控制策略,特別是通過(guò)矢量控制進(jìn)行有功和無(wú)功的解耦控制,實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。根據(jù)貝茨定理,實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲需要對(duì)風(fēng)機(jī)的葉尖速比進(jìn)行調(diào)節(jié),因此需要測(cè)量風(fēng)速。由于風(fēng)速測(cè)量?jī)x安裝位置的制約及其他諸多因素,往往不能獲得準(zhǔn)確的有效風(fēng)速,因此有研究提出利用風(fēng)機(jī)的有功輸出進(jìn)行風(fēng)速估計(jì),該方法假定空氣密度恒定,在空氣密度發(fā)生變化時(shí),風(fēng)速估計(jì)將發(fā)生偏差;還有研究指出在實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲時(shí),風(fēng)機(jī)有功輸出對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的導(dǎo)數(shù)為零,因此可以通過(guò)主動(dòng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來(lái)找到該點(diǎn)并以它作為工作點(diǎn),該方法不需要利用風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)曲線,但連續(xù)的嘗試會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)不必要的沖擊,同時(shí)該方法也不能精確捕捉到最優(yōu)工作點(diǎn)。在實(shí)際工作中,利用風(fēng)機(jī)制造廠商提供的風(fēng)能利用系數(shù)曲線,如果能夠?qū)諝饷芏冉o出較精確的估計(jì),就能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的能量最大捕獲。本文給出了空氣密度的估計(jì)方法,利用空氣密度的估計(jì)數(shù)據(jù),得到較精確的有效風(fēng)速,從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。1雙饋電機(jī)的模型圖1為雙饋電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的模型。發(fā)電機(jī)的定子繞組與電網(wǎng)連接,電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)的影響體現(xiàn)在定子電壓Us;風(fēng)機(jī)輸出到發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm是風(fēng)速v,空氣密度kρ和發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速ωm的函數(shù);控制器根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流Ir、定子電流Is和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角θm及轉(zhuǎn)速ωm計(jì)算出轉(zhuǎn)子電壓的給定值;變頻器根據(jù)控制器給出的設(shè)定值調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓。本文主要研究風(fēng)能的最大捕獲,因此假定定子電壓的頻率和幅度恒定,同時(shí)假定變頻器有理想的跟隨特性,從而可以忽略它們的動(dòng)態(tài)。首先考慮風(fēng)機(jī)的風(fēng)能捕獲模型。風(fēng)機(jī)所捕獲的風(fēng)能可表示為式中:ρ為空氣密度;A為風(fēng)機(jī)掃掠面積;cp為風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù),它是葉尖速比λ和漿距角β的函數(shù)(λ=ωmR/v),ωm為風(fēng)機(jī)角速度,R為風(fēng)輪半徑。采用標(biāo)幺值表示,式(1)可以記為標(biāo)幺值按照如下方式確定:式中:Pnorm為額定功率;ωmnorm為額定轉(zhuǎn)速;vnorm為額定風(fēng)速;ρnorm為額定風(fēng)速和額定轉(zhuǎn)速下發(fā)出額定功率時(shí)對(duì)應(yīng)的空氣密度;λopt為風(fēng)能利用系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的葉尖速比。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),本文忽略標(biāo)幺符號(hào)標(biāo)志pu。同時(shí),由于實(shí)際的研究總是針對(duì)固定的槳距角,在表達(dá)式中也加以忽略,式(2)可簡(jiǎn)記為本文針對(duì)無(wú)風(fēng)速測(cè)量數(shù)據(jù)的情況,利用葉尖速比的表達(dá)式消去式(3)中顯含的風(fēng)速變量v,則有:式中c′p(λ)可以認(rèn)為是廣義的風(fēng)能利用系數(shù),表示為圖2為2種不同表達(dá)式的風(fēng)能利用系數(shù)。雙饋電機(jī)的模型由電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程共同描述。它在d-q軸系下的電壓方程為式中:uds,uqs(udr,uqr)為定(轉(zhuǎn))子電壓的d軸和q軸分量;ids,iqs(idr,iqr)為定(轉(zhuǎn))子電流的d軸和q軸分量;ψds,ψqs(ψdr,ψqr)為定(轉(zhuǎn))子磁鏈在d軸和q軸上的分量;rs(rr)為定(轉(zhuǎn))子的繞阻;ωs,ωr為d-q軸和轉(zhuǎn)子電氣角速度。轉(zhuǎn)子的電氣轉(zhuǎn)速和機(jī)械轉(zhuǎn)速之間滿足ωr=npωm,np為發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)。d-q軸系下磁鏈方程為式中:Ls,Lr分別為定(轉(zhuǎn))子線圈的漏感;Lm為定(轉(zhuǎn))子線圈之間的互感。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為式中:J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;D為轉(zhuǎn)子的阻尼系數(shù);Te為電磁轉(zhuǎn)矩,可表示為2kcpkp的求解雙饋電機(jī)有2個(gè)控制輸入(轉(zhuǎn)子的d軸和q軸電壓),通過(guò)它們可以控制轉(zhuǎn)子電流,實(shí)現(xiàn)2個(gè)控制目標(biāo),一個(gè)是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,另一個(gè)可以按照實(shí)際需要選擇,本文選擇為電機(jī)銅耗最小化。為實(shí)現(xiàn)上述多目標(biāo)解耦控制,可取d軸與定子磁通重合,有ψqs=0,由式(7)有結(jié)合式(9)可將電磁轉(zhuǎn)矩表示為由式(11)可知,可利用轉(zhuǎn)子電流的q軸分量iqr實(shí)現(xiàn)電氣轉(zhuǎn)矩的控制,達(dá)到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的,而轉(zhuǎn)子電流的d軸分量idr則可用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)銅耗最小化。上述解耦控制的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行定子磁鏈的定位,本文采用如下的方法:1)對(duì)定子和轉(zhuǎn)子電流的測(cè)量值進(jìn)行αβ變換,獲得iαs,iβs,iαr,iβr。2)利用式(7)對(duì)ψαs,ψβs進(jìn)行估算。3)由ψαs,ψβs計(jì)算出定子磁鏈的空間角度。首先考慮風(fēng)能捕獲控制,利用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和能量的關(guān)系(Tmωm=Pm),結(jié)合式(4)可知實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩為因此可以通過(guò)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)使kρc′p→kρ來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲(廣義風(fēng)能利用系數(shù)的標(biāo)幺值為1)。kρc′p不能直接測(cè)量,可利用式(8)對(duì)機(jī)械轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估計(jì),結(jié)合式(4)有式中:Te和ωm均可測(cè)量,而ωm需要估計(jì)。通過(guò)對(duì)ωm進(jìn)行離散采樣,可估計(jì)如下:利用該估計(jì),可得到kρc′p的估計(jì)值如下利用式(15),可進(jìn)一步對(duì)kρ進(jìn)行估計(jì)。假定t1,t2時(shí)刻的轉(zhuǎn)速分別為ω1,ω2,上述時(shí)刻kρc′p的估計(jì)值分別為(kρcp′)t=t1,(kρcp′)t=t2,記它們的比值為如果t1,t2間隔足夠短(仿真中取時(shí)間間隔為0.1s),可以認(rèn)為風(fēng)速和空氣密度都保持不變。上述時(shí)刻的葉尖速比滿足關(guān)系:且有結(jié)合式(17)和式(18)有通過(guò)求解式(18),可以得到t1時(shí)刻的葉尖速比λ1,并進(jìn)一步推算出當(dāng)前的空氣密度kρ。式(19)雖然是非線性方程,但對(duì)于kλ較小的情況,它在λopt附近單調(diào),因此可通過(guò)折半搜索快速求解?；谏鲜龇治?可采用如圖3所示的控制器實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲最大化。首先基于式(15)對(duì)kρc′p進(jìn)行估算;計(jì)算出系統(tǒng)風(fēng)能利用效率與最優(yōu)值之間的誤差ecp,然后通過(guò)比例–積分(PI)控制器得到對(duì)轉(zhuǎn)子電壓q軸分量uqr進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)對(duì)最優(yōu)轉(zhuǎn)速的無(wú)差跟蹤,其中kpr和kir分別為比例和積分控制系數(shù)。需要指出的是,上述的PI控制器可得到較理想的轉(zhuǎn)速控制效果,因此本文沒(méi)有采用文獻(xiàn)中常見(jiàn)的非線性補(bǔ)償?？諝饷芏裙烙?jì)值的精確程度取決于ωm估計(jì)值的準(zhǔn)確性,為此上述空氣密度的估計(jì)只是在轉(zhuǎn)速變化較慢時(shí)進(jìn)行(變換率在1%～5%/s時(shí))。針對(duì)發(fā)電機(jī)損耗控制,可將電機(jī)在定子和轉(zhuǎn)子電阻上的損耗表示為考慮到d軸定位在定子磁通上,由(7)可得到將式(22)代入式(21)中有由于iqr用于轉(zhuǎn)速控制,式(23)中的第1部分無(wú)法調(diào)節(jié)。銅耗是d軸電流的二次函數(shù),由可確定它在如下條件下取極小值。與轉(zhuǎn)速控制類似,可采用PI控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的無(wú)差調(diào)節(jié)3空氣密度仿真仿真采用了槳距角為0時(shí)的風(fēng)能利用曲線cp(λ)在λopt=8.1處取最大值cpmax=0.48。雙饋電機(jī)額定功率為160kW,參數(shù)(視在)為:Rs=0.01379?,Rr=0.007728?,Ls=Lr=0.000152H,Lm=0.00769H,J=2.9kg?m2,D=0.05658N·m·s,np=2,額定頻率為50Hz,額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。仿真考慮了3種不同情況:1)風(fēng)速上升,空氣密度下降;2)風(fēng)速下降,空氣密度上升;3)風(fēng)速不變,空氣密度變小,具體的風(fēng)速和空氣密度變化如圖4和圖5所示。圖4給出了風(fēng)速的變化:0～1s間風(fēng)速為0.5pu;1～1.1s間,風(fēng)速線性增長(zhǎng)到1pu,并維持此風(fēng)速;5～5.1s間,風(fēng)速線性下降到0.75pu,并維持此風(fēng)速到13s(仿真結(jié)束)。圖5為空氣密度的變化情況(虛線):0～1s間空氣密度為1,1～5s間為0.8pu,5～9s間為1.1,9～13s間為0.9pu。圖5中的實(shí)線和圖6給出了空氣密度的估計(jì)情況和轉(zhuǎn)速的跟蹤情況:在1s時(shí),風(fēng)速和空氣密度變化,風(fēng)機(jī)捕獲的能量增加,控制器基于原有的空氣密度進(jìn)行風(fēng)速估計(jì),并給出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速設(shè)定,經(jīng)過(guò)一個(gè)調(diào)速過(guò)程(1～2.1s),轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定,此時(shí)控制器對(duì)空氣密度進(jìn)行估計(jì),并基于新的空氣密度估計(jì)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)并穩(wěn)定在最優(yōu)轉(zhuǎn)速附近;5s時(shí),風(fēng)速下降,空氣密度上升,控制器根據(jù)錯(cuò)誤的風(fēng)速估計(jì)(偏高)下調(diào)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲,在調(diào)節(jié)過(guò)程接近完成時(shí)(t=5.9s),空氣密度的估計(jì)被修正,控制器按照修正后的空氣密度調(diào)節(jié)速度,穩(wěn)定在最優(yōu)轉(zhuǎn)速(0.75pu)附近;在9s時(shí),風(fēng)速不變,由于空氣密度的改變?cè)斐闪宿D(zhuǎn)矩的變化,控制器錯(cuò)誤認(rèn)為風(fēng)速變小并調(diào)低轉(zhuǎn)速,在調(diào)速過(guò)程快完成時(shí)(t=9.5s),啟動(dòng)空氣密度修正并將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到最優(yōu)值附近。仿真中采用式(13)對(duì)mω進(jìn)行估計(jì),由圖5可知,估計(jì)的誤差使得空氣密度的估計(jì)值與真實(shí)值存在著誤差。但該誤差對(duì)風(fēng)能捕獲效率影響并不大,由圖7可知,依據(jù)空氣密度的修正,可使風(fēng)能利用效率非常接近1(>0.9999)。如果不引入空氣密度的修正環(huán)節(jié),風(fēng)能利用效率在上述情況下將有1.4%～3.5%的損失,在空氣密度偏離額定值更多的情況下,將有更大的效率損失。4空氣密度風(fēng)速估計(jì)的特點(diǎn)利用風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)曲線,可通過(guò)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。本文研究表明:1)在風(fēng)能最大捕獲中,可以利用雙饋發(fā)電機(jī)內(nèi)部的狀態(tài)信息對(duì)當(dāng)前風(fēng)速進(jìn)行估計(jì),從而減少風(fēng)速測(cè)量裝置。2)在對(duì)風(fēng)速進(jìn)行估