直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略研究

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略研究

風(fēng)能發(fā)電作為一種可利用能源的典范，受到了各國(guó)的廣泛關(guān)注。由于其效率高、制造方便、控制有效，永速齒輪箱的特點(diǎn)，克服了非步速發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)，克服了系統(tǒng)可靠性低的缺點(diǎn)，成為風(fēng)風(fēng)發(fā)電的主要趨勢(shì)。直驅(qū)風(fēng)風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)首先將不穩(wěn)定風(fēng)速轉(zhuǎn)化為頻率和振幅變化的交流電流量，然后使用輸出電路將交流轉(zhuǎn)化為直流電流，然后通過三相逆變量將直流電流轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)相位相同的三相四線。圖1顯示了直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)。本文在分析風(fēng)力機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上,研究實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的槳距角控制策略和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法,并在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了整個(gè)仿真系統(tǒng)的模型.1直接驅(qū)風(fēng)發(fā)電的數(shù)學(xué)原理1.1風(fēng)力機(jī)傳動(dòng)模型風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,獲得的機(jī)械功率如式(1)Ρm=12ρsv3Cp=π8ρD2v3Cp(1)Pm=12ρsv3Cp=π8ρD2v3Cp(1)式中s為風(fēng)輪截面積(m2);D為風(fēng)力機(jī)的直徑(m);v為風(fēng)速(m/s);Cp為風(fēng)能利用系數(shù);ρ為空氣密度;Cp為槳距角β和葉尖速度比λ相關(guān)的系數(shù),如式(2)Cp=0.517(116λl-0.4β-5)e21λl+0.0068λ(2)Cp=0.517(116λl?0.4β?5)e21λl+0.0068λ(2)其中λ=wRv?wλ=wRv?w為風(fēng)輪角速度(rad/s),R為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子半徑(m),1λi=1λ+0.008β-0.035β3+1(m),1λi=1λ+0.008β?0.035β3+1風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tw與風(fēng)速v的關(guān)系如式(3)Τw=0.5ρπR3v2Cpλ(3)Tw=0.5ρπR3v2Cpλ(3)在直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,風(fēng)力機(jī)與永磁發(fā)電機(jī)間是直接耦合方式,根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡原理,其傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型如式(4)Jdωgdt=Τe-Τw-Bωg(4)Jdωgdt=Te?Tw?Bωg(4)式中J為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2),Te為永磁電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩(N·m);ωg為永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速(rad/s);B為粘滯系數(shù).1.2永磁發(fā)電機(jī)的等效電壓分量vd的計(jì)算忽略永磁電機(jī)的鐵芯損耗、電流電壓的高次諧波,在氣隙磁通是正弦分布的假設(shè)下,在d-q坐標(biāo)系下,永磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如式(5){ud=Rid+Lddiddt-ωeLqiquq=Riq+Lqdiqdt+ωeLddiddt+ωeψr(5)???ud=Rid+Lddiddt?ωeLqiquq=Riq+Lqdiqdt+ωeLddiddt+ωeψr(5)其中,ud,uq為永磁發(fā)電機(jī)d軸和q軸的等效電壓分量(V);id,iq為永磁發(fā)電機(jī)d軸和q軸的等效電流分量(A);Ld,Lq為永磁發(fā)電機(jī)d軸和q軸的等效電感分量(H);R為永磁發(fā)電機(jī)定子電阻(Ω);ωe為永磁發(fā)電機(jī)電角頻率(rad/s);ψr-永磁發(fā)電機(jī)的磁鏈幅值(Wb).永磁發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩如式(6)Te=1.5Np[(Ld-Lq)idiq+iqψr](6)其中,Np為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù).2風(fēng)力發(fā)電最大風(fēng)速控制的基本理論風(fēng)能利用系數(shù)Cp與葉尖速度比λ和槳距角β的關(guān)系曲線如圖2所示,圖2表明槳距角β=0時(shí),風(fēng)能利用系數(shù)最大,當(dāng)槳距角β一定是,存在唯一的葉尖速比λ值,使得Cp取值為最大,即風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率為最高.對(duì)于特定的風(fēng)力機(jī),其槳葉旋轉(zhuǎn)半徑一定,影響葉尖速比λ的因素為風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度.外界風(fēng)速恒定這是理想的情況,實(shí)際的風(fēng)速是不斷變化的,包含基礎(chǔ)風(fēng)(平均風(fēng)速)、陣風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)、漸變風(fēng),研究風(fēng)力發(fā)電最大風(fēng)能控制策略,必須考慮風(fēng)速的大小,通常將風(fēng)速分為4個(gè)階段:1)風(fēng)速低于風(fēng)力機(jī)切入風(fēng)速此時(shí),風(fēng)力機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn),只有當(dāng)實(shí)際風(fēng)速大于切入風(fēng)速時(shí),才能將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電.2)切入風(fēng)速<風(fēng)速小于等于額定風(fēng)速額定風(fēng)速是風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到額定功率時(shí)的風(fēng)速,當(dāng)風(fēng)速處于這階段時(shí),要求風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中捕獲最大風(fēng)能,即槳距角為0,控制永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,使其與風(fēng)速的比值最大,即λ=wR/v最大,從而獲得最大風(fēng)能.3)額定轉(zhuǎn)速<風(fēng)速小于切出風(fēng)速當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切出風(fēng)速時(shí),受到發(fā)電機(jī)功率、變頻器容量以及機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制,為了避免大風(fēng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成破壞,風(fēng)力機(jī)將進(jìn)行停車,進(jìn)行自我保護(hù).當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速而又小于切出風(fēng)速時(shí),由于高風(fēng)速使發(fā)電機(jī)的功率高于額定功率,此時(shí)通過調(diào)節(jié)變槳距角來減少葉輪輸入功率,使發(fā)電機(jī)輸出功率穩(wěn)定在額定功率.4)風(fēng)速大于切出風(fēng)速如果風(fēng)速達(dá)到切出風(fēng)速,則風(fēng)力機(jī)將停車進(jìn)行保護(hù),風(fēng)電機(jī)組不發(fā)電.2.1變槳距角控制當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí),需要變槳距角控制使發(fā)電機(jī)輸出功率穩(wěn)定于額定功率,所以將發(fā)電機(jī)功率作為輸入量,設(shè)計(jì)PI控制器,當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí),槳距角保持0度,當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí),通過PI控制使槳距角增大,減小輸出功率,從而使輸出穩(wěn)定在額定功率處,圖3為加入變槳距角控制后的風(fēng)力機(jī)仿真模型.額定功率Peref與實(shí)際功率Pe經(jīng)過PI環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)后,由選擇開關(guān)根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速是否超過額定風(fēng)速,判斷是否調(diào)節(jié)槳距角,如果低于額定風(fēng)速,槳距角為0,如果高于額定風(fēng)速,則經(jīng)PI調(diào)節(jié)輸出槳距角,然后經(jīng)過Cp子函數(shù)模型與輸出轉(zhuǎn)矩子函數(shù)輸出.2.2永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的仿真模型永磁發(fā)電機(jī)的控制器采用矢量控制,最大風(fēng)能的葉尖速比λ對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速作為參考值,與實(shí)際的電機(jī)轉(zhuǎn)速比較,作為矢量控制中的速度輸入量.經(jīng)PI控制器得到的電流參考值i*q,由實(shí)測(cè)值iq實(shí)時(shí)跟蹤,而電流i*d輸入為0,由實(shí)測(cè)id跟蹤.永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的仿真模型如圖4所示.3實(shí)測(cè)風(fēng)速仿真對(duì)直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,選擇的參數(shù)如下:定子繞組2.8Ω,Ld,Lq為8.5e3H,電機(jī)極對(duì)數(shù)為4,永磁磁通為0.175Wb,慣性系數(shù)為0.8e-3kg·m2,摩擦系數(shù)為0.05.槳葉半徑為24m,空氣密度為1.225kg/m3,額定風(fēng)速為10m/s,風(fēng)速數(shù)據(jù)采用某地部分實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù),其變化曲線如圖5所示,風(fēng)速?gòu)?m/s左右躍變到14m/s附近.在風(fēng)速的變化過程中,直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各物理量的關(guān)系曲線分別如圖6所示槳距角變化曲線、圖7所示永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線、圖8所示電磁轉(zhuǎn)矩曲線、圖9所示永磁電機(jī)電流曲線.風(fēng)速在8m/s附近時(shí),對(duì)應(yīng)最大風(fēng)能捕獲時(shí)的葉尖速比為7.8,槳距角β=0°,當(dāng)風(fēng)速增加到14m/s左右時(shí),高于額定風(fēng)速,槳距角經(jīng)過PI調(diào)節(jié),β=2.8°,使風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)中的部分能量,使機(jī)組的功率維持在額定值附近.發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有一定的慣性延遲,不會(huì)隨風(fēng)速立即變化,經(jīng)過延遲也會(huì)跟上其變化.對(duì)比于模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法,矢量控制方法,省去了模糊規(guī)則建立和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的復(fù)雜過程,對(duì)電流的跟蹤可快速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié).總之,本文設(shè)計(jì)的直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)仿真模型,可正確仿真出槳距角及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制過程,及內(nèi)部各物理量間的關(guān)系,并實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲下的