直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組最優(yōu)功率控制模型

直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組最優(yōu)功率控制模型

0永磁同步發(fā)電機(jī)dq系統(tǒng)控制模型隨著風(fēng)扇裝置的數(shù)量增加，風(fēng)電站的并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行有許多負(fù)面影響。因此,開(kāi)展風(fēng)電接入系統(tǒng)的運(yùn)行與控制技術(shù)研究對(duì)保證風(fēng)電大規(guī)模接入后電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性決定了其對(duì)電力系統(tǒng)的影響程度,建立能夠精確反映風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性的模型是進(jìn)行所有其它相關(guān)研究的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代大型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有直接驅(qū)動(dòng)、無(wú)勵(lì)磁繞組、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率較高等優(yōu)點(diǎn),因而成為目前兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型之一,且市場(chǎng)份額有逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)。直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組需經(jīng)過(guò)全功率變流器才能接入電網(wǎng),目前應(yīng)用最多的是“AC-DC-AC”變流方式,其中采用背靠背四象限電壓源型變流器的聯(lián)網(wǎng)方式由于控制靈活而越來(lái)越受到重視。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)應(yīng)能工作于最優(yōu)功率輸出狀態(tài),目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組功率控制已有部分研究。文獻(xiàn)研究了低風(fēng)速下的永磁同步風(fēng)電機(jī)組的最大風(fēng)能捕獲控制;文獻(xiàn)研究的發(fā)電機(jī)側(cè)變流器采用網(wǎng)側(cè)功率反饋的方式控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,受電網(wǎng)變化的影響較大;文獻(xiàn)研究了發(fā)電機(jī)側(cè)變流器采用轉(zhuǎn)速為反饋量、機(jī)組輸出功率為控制對(duì)象的功率控制策略,這種控制方式下的槳距角需采用功率反饋,容易造成機(jī)組功率輸出超過(guò)額定值。本文利用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向原理,建立了永磁同步發(fā)電機(jī)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性,構(gòu)建了低風(fēng)速下以永磁同步發(fā)電機(jī)輸出功率為反饋量、轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象的最大風(fēng)能捕獲控制模型,高風(fēng)速下以轉(zhuǎn)速為反饋量、槳距角為控制對(duì)象的槳距角控制模型?？刂葡到y(tǒng)控制風(fēng)電機(jī)組按照風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)功率曲線實(shí)現(xiàn)功率輸出,其中發(fā)電機(jī)側(cè)變流器控制永磁同步發(fā)電機(jī)的有功功率輸出,網(wǎng)側(cè)變流器采用了有功功率和無(wú)功功率的解耦控制,可以根據(jù)電網(wǎng)需求實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)無(wú)功功率交換。利用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC建立了直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)模型的仿真系統(tǒng),對(duì)兩種典型突變風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究,仿真結(jié)果驗(yàn)證了所建立模型和最優(yōu)功率控制方法的有效性。1直接驅(qū)動(dòng)電壓裝置的數(shù)學(xué)模型直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)和全功率變流器組成。1.1u3000風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)風(fēng)力機(jī)從空氣中捕獲的風(fēng)能可表示為Ρw=12ρπR2v3wCp(β,λ)Pw=12ρπR2v3wCp(β,λ),(1)其中:Cp(β,λ)=0.22(116λi-0.4β-5)e-12.5λiCp(β,λ)=0.22(116λi?0.4β?5)e?12.5λi,(2)1λi=1λ+0.08β-0.035β3+11λi=1λ+0.08β?0.035β3+1,(3)λ=Rωvwλ=Rωvw,(4)式中:ρ為空氣的密度,kg/m3;R為風(fēng)力機(jī)葉片半徑,m;vw為風(fēng)速,m/s;Cp為風(fēng)能利用系數(shù);β為葉片的槳距角,(°);λ為風(fēng)力機(jī)葉尖速比;ω為風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速,rad/s。對(duì)于特定的風(fēng)力機(jī),都有一條最優(yōu)的轉(zhuǎn)速-功率曲線(如圖1所示),最優(yōu)功率曲線可通過(guò)試驗(yàn)確定。最優(yōu)功率曲線通常分為4個(gè)區(qū)域:啟動(dòng)區(qū)(A-B),最大風(fēng)能捕獲區(qū)(B-C),轉(zhuǎn)速恒定區(qū)(C-D)和額定功率輸出區(qū)(D-E)。生產(chǎn)廠家可以預(yù)先將風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)功率曲線整定進(jìn)控制系統(tǒng),直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組的功率控制目標(biāo),就是使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤風(fēng)速的變化,從而使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于最優(yōu)功率曲線上。1.2u1qldi1dt取永磁體轉(zhuǎn)子極中心線為d軸,沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°電角度為q軸,dq坐標(biāo)系隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。定子遵循發(fā)電機(jī)慣例,經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后得到dq坐標(biāo)系下的電機(jī)定子電壓方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為u1d=-Rsi1d+ω1Lqi1q-Lddi1ddt,u1q=-Rsi1q-ω1Ldi1d-Lqdi1qdt+ω1ψf,}(5)u1d=?Rsi1d+ω1Lqi1q?Lddi1ddt,u1q=?Rsi1q?ω1Ldi1d?Lqdi1qdt+ω1ψf,???(5)Τm-Τe=JΝpdω1dt+Bwω1,(6)Tm?Te=JNpdω1dt+Bwω1,(6)式中:u1d,u1q分別為定子電壓d軸和q軸基波分量;Rs為定子電阻;i1d,i1q分別為定子d軸和q軸電流基波分量;Ld,Lq分別為永磁同步發(fā)電機(jī)的d軸和q軸電感;ω1為電角速度;Ψf為永磁體磁鏈;J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Np為永磁同步發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù);Bw為轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù);Tm為風(fēng)力機(jī)輸入到永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)矩;Te為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,其表達(dá)式為Τe=32Νpi1q[(Lq-Ld)i1d+ψf]Te=32Npi1q[(Lq?Ld)i1d+ψf]。(7)風(fēng)力發(fā)電用永磁同步發(fā)電機(jī)的永磁體多采用徑向表面式分布,Ld=Lq,此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩方程變?yōu)棣砮=32Νpi1qψfTe=32Npi1qψf。(8)從上式可以看出,永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩跟定子q軸電流成正比,所以通過(guò)調(diào)節(jié)i1q即可調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速,使之跟隨風(fēng)速的變化,運(yùn)行于最佳葉尖速比狀態(tài)。1.3u3000電壓向量同步旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)側(cè)變流器與電網(wǎng)側(cè)變流器經(jīng)直流電容相聯(lián)。由于發(fā)電機(jī)側(cè)變流器與發(fā)電機(jī)定子直接相聯(lián),忽略變流器產(chǎn)生的高次諧波分量,其數(shù)學(xué)模型即為式(5)所示的定子電壓方程。網(wǎng)側(cè)變流器采用電壓矢量定向原理,取d軸與電網(wǎng)a相電壓矢量重合,q軸超前d軸90o電角度,dq坐標(biāo)系隨電網(wǎng)電壓向量同步旋轉(zhuǎn),則在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型為u2d=S2dudc=L2di2ddt-ω2L2i2q+Ri2d+ed,u2q=S2qudc=L2di2qdt+ω2L2i2d+Ri2q+eq,Cdudcdt=S2did+S2qiq-idc1,}(9)u2d=S2dudc=L2di2ddt?ω2L2i2q+Ri2d+ed,u2q=S2qudc=L2di2qdt+ω2L2i2d+Ri2q+eq,Cdudcdt=S2did+S2qiq?idc1,?????????(9)式中:u2d,u2q為分別為變流器d、q軸輸出電壓的基波分量;S2d,S2q為dq坐標(biāo)系下的變流器開(kāi)關(guān)量;udc為直流電壓;i2d,i2q為網(wǎng)側(cè)dq軸電流;ω2為電網(wǎng)角頻率;L2,R分別為網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)之間的連接電感及等值電阻;ed,eq為電網(wǎng)dq軸電壓;idc1為發(fā)電機(jī)側(cè)變流器流入直流電容的直流電流。2發(fā)電機(jī)控制框圖永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)、電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)和槳距角控制系統(tǒng),其控制框圖如圖2所示。由發(fā)電機(jī)初始轉(zhuǎn)速查表得發(fā)電機(jī)參考功率,如果大于風(fēng)機(jī)輸出功率,發(fā)電機(jī)減速,反之發(fā)電機(jī)加速。根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)動(dòng)態(tài)跟蹤最優(yōu)功率曲線實(shí)現(xiàn)最優(yōu)功率控制。2.1dq軸控制器設(shè)計(jì)根據(jù)風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)功率運(yùn)行曲線,q軸有功功率外環(huán)控制中,發(fā)電機(jī)輸出的參考有功功率由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速確定,跟發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出有功功率進(jìn)行差值比較,經(jīng)過(guò)PI控制器可以得到q軸電流的參考值。d軸控制永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),本文采用id=0的控制方式,直接令d軸參考電流等于零,其控制框圖如圖3所示。電流內(nèi)環(huán)控制中,dq軸電流參考值與實(shí)際反饋值比較后,經(jīng)過(guò)PI控制器,加入發(fā)電機(jī)感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)(d軸感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)為零,q軸為空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ω1Ψf)和dq電壓分量的耦合項(xiàng)(d軸為ω1L1qI1q,q軸為ω1L1dI1d)得到變流器端口處的dq分量下的參考電壓值U1d和U1q,然后通過(guò)PWM控制技術(shù)得到變流器的開(kāi)關(guān)信號(hào),實(shí)現(xiàn)功率的傳輸?？刂坡蔀閡1d=-(i1dref-i1d)(Κp2+Κi2s)+ω1Lqi1q,u1q=-(i1qref-i1q)(Κp3+Κi3s)-ω1Ldi1d+ω1ψf}(10)u1d=?(i1dref?i1d)(Kp2+Ki2s)+ω1Lqi1q,u1q=?(i1qref?i1q)(Kp3+Ki3s)?ω1Ldi1d+ω1ψf?????(10)式中:Kp2,Ki2,Kp3,Ki3分別為比例積分調(diào)節(jié)器PI2,PI3的比例、積分系數(shù)。2.2u3000和無(wú)功功率的計(jì)算經(jīng)電壓定向后,d軸電壓分量u2d=ug(電網(wǎng)線電壓有效值),q軸電壓分量u2q=0,則此時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功功率P2和無(wú)功功率Q2為Ρ2=u2di2d+u2qi2q=u2di2d,Q2=u2qi2d-u2di2q=-u2di2q。}(11)這樣即實(shí)現(xiàn)了有功和無(wú)功的解耦,P2受i2d控制,Q2受i2q控制。d軸采用電壓外環(huán),q軸采用功率外環(huán),得到dq軸的參考電流值,q軸控制變流器與系統(tǒng)之間的無(wú)功功率交換,可根據(jù)控制要求選擇定功率因數(shù)控制或恒定電壓控制?？刂瓶驁D如圖4所示。2.3距角控制的原理槳距角控制采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為反饋信號(hào),當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí),風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速將上升,超過(guò)額定轉(zhuǎn)速,槳距角控制開(kāi)始起作用,從而抑制轉(zhuǎn)速進(jìn)一步上升,不至于超過(guò)允許轉(zhuǎn)速,其控制原理圖如圖5所示。將發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速比較,經(jīng)PI控制器得到槳距角的控制信號(hào)βref,槳距角伺服系統(tǒng)執(zhí)行后得到風(fēng)力機(jī)葉片的實(shí)際槳距角。圖5中,τ為槳距角伺服系統(tǒng)的動(dòng)作延遲,伺服系統(tǒng)動(dòng)作速率一般有一定限制。3風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速特性本文運(yùn)用仿真軟件PSCAD/EMTDC建立了某1.5MW直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組的仿真模型與運(yùn)行控制系統(tǒng),系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示,風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)功率曲線如圖6所示。仿真風(fēng)速采用兩種典型的突變風(fēng)速,一是低風(fēng)速下風(fēng)速突然增大,驗(yàn)證風(fēng)電機(jī)組能否根據(jù)風(fēng)速變化調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲;一是高風(fēng)速下風(fēng)速突然增大,驗(yàn)證風(fēng)電機(jī)組能否在高于額定風(fēng)速時(shí)實(shí)現(xiàn)槳距角調(diào)節(jié)。(1)風(fēng)速+不同轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)模型當(dāng)t=2s時(shí),風(fēng)速由6m/s躍升至8m/s,風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在最優(yōu)功率曲線的最大風(fēng)能捕獲區(qū),網(wǎng)側(cè)變流器采用單位功率因數(shù)控制,風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能曲線如圖7所示。由圖7可知,當(dāng)風(fēng)速躍變后,風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速由6m/s時(shí)的最佳轉(zhuǎn)速0.63(標(biāo)幺值)逐漸上升至8m/s時(shí)的最佳轉(zhuǎn)速0.85(標(biāo)幺值),風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)從突變時(shí)的0.35上升到0.41,機(jī)組有功功率輸出值也逐漸增大,網(wǎng)側(cè)變流器采用單位功率因數(shù)控制,無(wú)功功率輸出保持在零附近(圖7(e))。網(wǎng)側(cè)電流經(jīng)電感濾波后,諧波含量較少(圖7(f))。動(dòng)態(tài)過(guò)程中,直流側(cè)電壓保持在參考值1200V附近(圖7(g))。(2)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行分析當(dāng)t=2s時(shí),風(fēng)速由11m/s躍升至13m/s,風(fēng)電機(jī)組從最優(yōu)功率曲線的恒轉(zhuǎn)速區(qū)過(guò)渡到額定功率輸出區(qū),網(wǎng)側(cè)變流器采用單位功率因數(shù)控制,風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能曲線如圖8所示。由圖8(b)可知,風(fēng)速躍升之前,若忽略風(fēng)電機(jī)組的損耗,風(fēng)力機(jī)輸入到永磁同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率Pm約等于風(fēng)電機(jī)組輸出的電磁功率P2,風(fēng)速躍升后,Pm突然增大,然而P2上升到額定功率后,控制系統(tǒng)控制風(fēng)電機(jī)組的輸出功率不再增加,風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速上升(圖8(c)),當(dāng)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速后,槳距角控制系統(tǒng)開(kāi)始起作用,槳距角增大(圖8(d)),風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能減小,風(fēng)能利用系數(shù)降低(圖8(e)),亦即Pm減小,經(jīng)過(guò)一定的動(dòng)態(tài)過(guò)程后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。動(dòng)態(tài)過(guò)程中,直流側(cè)電壓保持在參考值1200V附近(圖8(f))。4基于p