風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計—最大功率點跟蹤控制

1、-. z.課程設(shè)計說明書風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計最大功率點跟蹤控制專業(yè)新能源科學(xué)與工程學(xué)生*喻綢絹班級能源121*1210604122指導(dǎo)教師薛迎成完成日期2015年12月14日-. z.目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc31671 1.控制功能設(shè)計要求 PAGEREF _Toc31671 1 HYPERLINK l _Toc21679 1.1任務(wù) PAGEREF _Toc21679 1 HYPERLINK l _Toc22477 2.設(shè)計 PAGEREF _Toc22477 3 HYPERLINK l _Toc5453 2.1 介紹對象風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟

2、蹤控制技術(shù)研究 PAGEREF _Toc5453 3 HYPERLINK l _Toc30065 2.2控制系統(tǒng)方案 PAGEREF _Toc30065 3 HYPERLINK l _Toc907 2.2.1風(fēng)力機最大功率點跟蹤原理 PAGEREF _Toc907 3 HYPERLINK l _Toc9309 2.2.2風(fēng)力機發(fā)電系統(tǒng) PAGEREF _Toc9309 6 HYPERLINK l _Toc7292 2.2.3風(fēng)速變化時的系統(tǒng)跟蹤過程 PAGEREF _Toc7292 11 HYPERLINK l _Toc12431 3.硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc12431 13HYPE

3、RLINK l _Toc6772 4.軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc6772 16 HYPERLINK l _Toc22552 5.仿真或調(diào)試 PAGEREF _Toc22552 17 HYPERLINK l _Toc9256 參考文獻 PAGEREF _Toc9256 19-. z.-. z.1.控制功能設(shè)計要求1.1任務(wù)能源與環(huán)境是當(dāng)今人類生存和開展所要解決的緊迫問題而傳統(tǒng)能源已被過度消耗 ,因此,可再生能源的開發(fā)利用越來越受到重視和關(guān)注,其中風(fēng)能具有分布廣、儲量大、利用方便、無污染等優(yōu)點是最具大規(guī)模開發(fā)利用前景的新能源之一。目前,變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于實際風(fēng)機中,在低于額定

4、風(fēng)速的情況下根據(jù)風(fēng)速變化的情況調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速,使其運行于最優(yōu)功率點,從而捕獲最大風(fēng)能;在高于額定風(fēng)速時,通過對槳距角的調(diào)節(jié),使風(fēng)機以額定功率輸出。常用最大功率捕獲方法主要有功率反應(yīng) 法、模糊控制法、混合控制法等。為了充分利用風(fēng)能,提高風(fēng)電機組的發(fā)電總量,本文分析風(fēng)機特性及最大功率點跟蹤(ma*imum pow er point tracking MPPT)工作原理。眾多的MPPT實現(xiàn)方法各有千秋，對于不同的應(yīng)用場所各有所長，對于多種方案，需要進展大量細(xì)致的實驗工作和數(shù)據(jù)分析。風(fēng)能是一種具有隨機性、不穩(wěn)定性特征的能源，風(fēng)能的獲取不僅與風(fēng)力發(fā)電機的機械特性有關(guān)，還與其采用的控制方法有關(guān)。在*一風(fēng)機轉(zhuǎn)

5、速情況下，風(fēng)速越大時風(fēng)力機的輸出功率越大，而對*一風(fēng)速而言，總有一最大功率點存在。只有當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機工作在最正確葉尖速比時，才能輸出最大功率。好的控制方法可使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速迅速跟蹤風(fēng)速變化，使風(fēng)力發(fā)電機始終保持在最正確葉尖速比上運行，從而最大限度地獲得風(fēng)能。要保證最大限度地將捕獲到的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，目前一般采用最大功率點追蹤控制(MPPT)控制策略。最大功率點跟蹤(MPPT)是在可變風(fēng)速條件下提高風(fēng)力機能量轉(zhuǎn)換效率的有效方法。變速風(fēng)電系統(tǒng)目前一般采用最大功率點追蹤(Ma*imumPowerPointTracking,MPPT)的控制策略。2.設(shè)計2.1 介紹對象風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤控制技術(shù)研

6、究雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤通常基于實驗測定的最正確風(fēng)速功率一轉(zhuǎn)速曲線，但在長期運行中系統(tǒng)參數(shù)的變化會使實際最大功率點偏離原曲線，影響最大功率跟蹤效果。在分析風(fēng)力機特性、雙饋風(fēng)力發(fā)電機數(shù)學(xué)模型及功率關(guān)系的根底上，提出了一種以向電網(wǎng)輸出電能最大為目標(biāo)、不依賴最正確風(fēng)速功率轉(zhuǎn)速曲線的最大功率點跟蹤策略，實現(xiàn)了定子輸出有功、無功解耦控制。仿真和實驗證明，基于該方法，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)速變化過程中能自動尋找并跟隨最大功率點，且控制相對簡單，運行可靠，有較高的實用價值。2.2控制系統(tǒng)方案2.2.1風(fēng)力機最大功率點跟蹤原理根據(jù)貝茨理論，風(fēng)力機從風(fēng)中捕獲的功率為 其中 表示空氣密度， 表示槳距角， 表

7、示風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)，R 是風(fēng)輪的半徑， 表示風(fēng)速， 表示葉尖速比， 為風(fēng)力機的角頻率rad/s。 風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比之間的關(guān)系如圖 2-1 所示。 圖2-1 由上圖可見，風(fēng)能利用系數(shù)隨著葉尖速比 的變化而變化。當(dāng)時，即為風(fēng)能利用系數(shù)的最大值。而葉尖速比，在風(fēng)速變化時，相應(yīng)地調(diào)節(jié)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速就可以將葉尖速比維持在處，此時風(fēng)能利用系數(shù)為最大值 ，風(fēng)力機對風(fēng)能的捕獲量最大，即運行在最大功率點上。 在不同的風(fēng)速下，風(fēng)力機的輸出功率與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如圖 2-2 所示，其中，P 表示風(fēng)力機的輸出功率， 表示風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，1 、2 、3 分別為風(fēng)力機在風(fēng)速為1 、2 、3 時相應(yīng)于最大輸出功率P1 、

8、P 2、P3的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。由圖 2-4 可以看出，在風(fēng)速一定的情況下，輸出功率隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化而變化，其中存在著一個與最大功率點相對應(yīng)的葉尖速比，此時的風(fēng)能利用系數(shù)為最大值。在風(fēng)速發(fā)生變化時，風(fēng)力機最大功率點所對應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也不同。 把不同風(fēng)速下的風(fēng)力機輸出最大功率點相連，將得到一條曲線即為風(fēng)力機的最大功率曲線。為了提高風(fēng)力機的效率，在風(fēng)速發(fā)生改變時，就必須對風(fēng)力機實行變速控制，使其始終運行在最大功率曲線上。在風(fēng)速變化時，通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速，將葉尖速比維持在處，以確保風(fēng)力機運行在最大功率曲線上,即為對風(fēng)力機最大功率點的跟蹤控制原理。 圖2-2 風(fēng)力機輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 圖 2-3 為風(fēng)速變

9、化時，變速風(fēng)力機對最大功率點的跟蹤過程。在風(fēng)速為1 時，風(fēng)力機運行于 A 點，為了追蹤最大功率點 B，需要增加風(fēng)力機風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速 。 圖2-3 風(fēng)力機工作點的變化 當(dāng) = 1時，風(fēng)力機運行于 B 點，AB 的變化過程即為變速風(fēng)力機在風(fēng)速1 下,對最大功率點 B 的追蹤過程。當(dāng)風(fēng)速從1 增加到3 時，風(fēng)力機的運行狀態(tài)將從 B 點跳變到 C 點，同樣為追蹤該風(fēng)速下的風(fēng)力機的最大功率點，需要增加風(fēng)力機轉(zhuǎn)速 ，當(dāng) =3時，風(fēng)力機運行于對應(yīng)風(fēng)速3下的最大功率點 D 點，CD 的變化過程即為變速風(fēng)力機在風(fēng)速3 下,對最大功率點 D 的追蹤過程。同理，當(dāng)風(fēng)速從3 下降到2 時，風(fēng)力機的運行狀態(tài)從 D 點跳變到

10、 E 點，而 E 點位于風(fēng)速為2 時的風(fēng)力機的最大功率點 F 點的右側(cè)，所以應(yīng)該減小風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速 直到 = 2，此時風(fēng)力機運行在最大功率點 F 點。EF的變化過程是風(fēng)力機在風(fēng)速為2 時，對最大功率點的追蹤過程。以上即為變速風(fēng)力機在風(fēng)速發(fā)生變化時對最大功率點的跟蹤過程。2.2.2風(fēng)力機發(fā)電系統(tǒng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機數(shù)學(xué)模型及能量關(guān)系同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的DFIG矢量方程雙饋電機在三相靜止ABC坐標(biāo)系是一個多變量、強耦合、非線性高階系統(tǒng)。經(jīng)過三相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的DFIG矢量模型如式3和式4所示。u3=Rsis+ps+j1s ur=Rrir+pr+j3r (3)r= Lmis+Lri

11、r s=Lsis+Lmir (4)式中 us, ur定轉(zhuǎn)子端電壓矢量； is, ir定轉(zhuǎn)子繞組中的電流矢量；s, s定轉(zhuǎn)子繞組中的磁鏈?zhǔn)噶浚?發(fā)電機的同步角速度；s轉(zhuǎn)差角速度； Lms定子互感； Lls定子漏感 L1r轉(zhuǎn)子漏感。且 Lm=1.5Lms；Ls=Lls+Lm；Lr=Llr+Lm。根據(jù)式1和式2可得矢量形式的等效電 路如圖1所示。 圖1 DFIG矢量形式的等效電路由于定子電壓受到電網(wǎng)鉗制，頻率、幅值、相 位根本不變，因此可忽略定子磁鏈動態(tài)變化過程， 將電壓方程式4降階為式6。Us=Rsis+j1s ur=Rrir+pr+jsr 6式6可作為變速恒頻雙饋電機風(fēng)力發(fā)電矢量 控制依據(jù)，按照

12、不同的定向方式可以得到不同的控制方案。DFIG 運行時的功率分析雙饋電機由勵磁電源和電網(wǎng)兩邊向電機供電， 由圖 4 和式4可得繞線式雙饋電機輸入總有功功率為P=Ps+Pr=Reusi*s+Reuri*r =RS|is|2+Rr|Ir|2+RePsi*s+Pri*r+Rejw1si*s+jw1ri*r =Pcu+Pf+Pe (8)式中 Ps定子輸入功率； Pr轉(zhuǎn)子輸入功率；Pcu定轉(zhuǎn)子總的銅耗；Pf磁場變化引起的功率變化；Pe電磁功率。而電磁功率 Pe 由定子電磁功率 Pes 和轉(zhuǎn)子電磁功率組成，將其展開為 dq 軸形式，可得Pe=Pes+Per =Rejw1si*s+jw1ri*r =w1Lm

13、(irdisq-irqisd)-wsLm(irdisq-irqisd) =npwrLm(irdisq-irqisd) 9將式8代入式9可得Pmech=nprLm(irqisdirdisq)10系統(tǒng)次同步和超同步狀態(tài)下的功率流動關(guān)系如 圖 4 所示。圖4 雙饋電機的功率流動關(guān)系Pes:Per:Pmech=(1/(1-s):(s/(1-s):1式中s轉(zhuǎn)差率。由上式可見，在輸入機械功率保持恒定時，轉(zhuǎn) 速的變化將直接改變定、轉(zhuǎn)子輸入的能量大小和流 向。降低轉(zhuǎn)速，定子輸出功率一定增大，但同時轉(zhuǎn) 子也吸收更多的功率；提升轉(zhuǎn)速，定子輸出能力下 降，但是轉(zhuǎn)子吸收功率也相應(yīng)減少甚至向電網(wǎng)饋送 能量。因此雙饋風(fēng)力

14、發(fā)電系統(tǒng)最大功率點追蹤，就 是要在一定風(fēng)速下使定子與交流勵磁電源總輸出功率 Pout 最大。Pout 與 Pmech 關(guān)系如下：Pout=Pmech-Pcus-Pcur-Ploss=Pmech-Rs(isd2+isq2) Rr(ird2+irq2)12式中ploss變頻器損耗； Rr變頻器損耗折合到轉(zhuǎn)子側(cè)后總的轉(zhuǎn)子等效電阻。所以在*一風(fēng)速下須跟蹤的最正確轉(zhuǎn)速點并不是 風(fēng)能最大點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速a，而是總輸出功率最大點 對應(yīng)的轉(zhuǎn)速b。且由于銅耗是電流的函數(shù)，因此總輸出功率的大小及其對應(yīng)的最正確轉(zhuǎn)速不僅與有功電 流有關(guān)而且與定子對電網(wǎng)進展無功補償時輸出無功 功率的大小也有關(guān)系，但其單峰特性不變。輸入機

15、械功率 Pmech 扣除損耗后，可得到如圖 5 所示的輸出 電功率 Pout 曲線，其中 Qout=0。由圖 3 和式4可得繞線式雙饋電機輸入無功功率關(guān)系 Qs+Qr=Im(j1sis*)+Im(jsrir*)可化簡得sQs+Qr=wsLs|is|2+wsLr|ir|2=2wsLm|is|ir|cos 13式中定、轉(zhuǎn)子矢量的夾角。圖 5 機械功率與 DFIG 輸出總功率關(guān)系圖由式13可見，定、轉(zhuǎn)子共同向電機提供無 功功率，其大小與定、轉(zhuǎn)子電流及電機電感量有關(guān)。 當(dāng)定子單位功率因數(shù)發(fā)電時，電機所需的無功功率 全部由轉(zhuǎn)子電源提供；當(dāng)定子向電網(wǎng)補償容性無功 時，轉(zhuǎn)子不但要提供電機的無功功率而且需要提

16、供 額外的無功給定子作為補償輸出。但是轉(zhuǎn)子變換器 由于直流環(huán)節(jié)的存在，其電機側(cè)無功 Qr 和網(wǎng)側(cè)的無 功 Qg 是解耦的，因此仍能保證輸送到電網(wǎng)總的無功 功率為零或者作容性補償，其最大補償量由轉(zhuǎn)子勵 磁電源容量決定。綜上所述，可以設(shè)計系統(tǒng)轉(zhuǎn)速外環(huán)和無功功率外環(huán)，再結(jié)合 所設(shè)計的轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)控制器，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與定子無功功率解耦控制，系統(tǒng)整體構(gòu)造如圖 6 所示。 圖6 雙饋電機定子電壓定向最大功率點跟蹤控制構(gòu)造框圖2.2.3風(fēng)速變化時的系統(tǒng)跟蹤過程在實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、無功解耦控制的根底上，再利用輸出總功率特性曲線的單峰特性，實現(xiàn)最大功率點跟蹤。具體算法如下：系統(tǒng)從進入追蹤狀態(tài)時刻的初始轉(zhuǎn)速開場工作，然后每

17、個循環(huán)主動地增大或減小一個指令步長。如果本次輸出總功率大于上次功率，則繼續(xù)保持調(diào)節(jié)方向；否則就改變調(diào)節(jié)方向。以圖7為例說明風(fēng)速變化時系統(tǒng)工作狀態(tài)。在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)柔性并網(wǎng)后，并不向電網(wǎng)輸出功率，所以起始工作點為A。然后切換到最大功率點跟蹤策略，轉(zhuǎn)速降低且功率增大，工作點自動調(diào)節(jié)到B附近。當(dāng)風(fēng)速突然減小時，由于風(fēng)力機轉(zhuǎn)動慣量較大，轉(zhuǎn)速不會突變，工作點從B下降到C而功率突減。此時系統(tǒng)會主動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，自動尋找功率增大的方向，并最終逐漸運行到D點。反之，當(dāng)風(fēng)速增大時，工作點由D上升到E，轉(zhuǎn)速不變功率突增，然后系統(tǒng)再追蹤功率增大的方向，運行到F，穩(wěn)定在最大功率點附近。 圖7在風(fēng)速變化時的系統(tǒng)跟蹤過程3

18、.硬件設(shè)計如下圖的拓?fù)錁?gòu)造中采用三相不控二極管整流橋，由于缺乏勵磁控制，永磁電機產(chǎn)生與電機轉(zhuǎn)軸速度成比例的電動勢。因此為了得到最正確的空氣動力學(xué)上的效率，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速要與風(fēng)速成正比變化。而永磁電機和二極管整流器系統(tǒng)是完全不可控的，所以要通過 Sepic 變換器或者逆變器控制永磁電機發(fā)出的電能來實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制，以得到理想的運行速度。本節(jié)主要研究 Sepic 變換器的特性。 圖8為雙重 Sepic 變換器的拓?fù)錁?gòu)造電路圖。雙重 Sepic 變換器是由兩個構(gòu)造和參數(shù)一樣的單重 Sepic 變換器(見圖8)并聯(lián)組成。ab 圖 8 變換器的拓?fù)錁?gòu)造首先分析單重 Sepic 變換器輸入電壓U1 和輸出

19、電壓U0 的關(guān)系： 如圖 8所示：在該電路中穩(wěn)態(tài)時電感 L1和 L2的電壓在一個周期內(nèi)都為零。 在開關(guān)管 V 處于通態(tài)的時間ton，有： UA =0； UB =UC1 。 在開關(guān)管 V 處于斷態(tài)的時間toff，有： UA= UC1+U0； UB=U0。因此，A 點在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均電壓為：又因為電感 L1的電壓在一個周期內(nèi)為零，所以B 點在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均電壓為又因為電感 L2的電壓在一個周期內(nèi)為零，所以可得： 式中, ton為開關(guān)管處于通態(tài)的時間； toff為開關(guān)管處于斷態(tài)的時間； T 為開關(guān)周期; 為導(dǎo)通占空比,變化*圍為0,1。 由式 3.6 可知：在U0 不變的條件下，調(diào)節(jié) P

20、WM 觸發(fā)脈沖的占空比 大小，就可以控制U1 的大小，進而調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速以及風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風(fēng)力機的變速運行。 雙重 Sepic 變換器輸入電壓U 1和輸出電壓U0 的關(guān)系與單重 Sepic 變換器輸入電壓U1 和輸出電壓U0 的關(guān)系一樣。雙重 Sepic 變換器是由兩個觸發(fā)脈沖互差 1/2 開關(guān)周期的單重 Sepic 變換器并聯(lián)組成，當(dāng)兩個單重 Sepic 變換器的輸入電流相疊加后，電流值峰谷相錯而合成較平滑的輸入總電流，此電流的平均值是每個單重 Sepic 變換器電流平均值的 2 倍，電流諧波頻率也是單重 Sepic 變換器的 2 倍，然而電流脈動幅值卻降低到單重 Sepic 變換器的

21、 1/2 倍。由此可見，變換器的雙重化可以有效地減小電流的諧波、降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動，從而可以在穩(wěn)定狀態(tài)時，減小風(fēng)力機輸出功率的波動量對此后面將給出仿真結(jié)果予以證實；同時并聯(lián)的兩個 Sepic 變換器可互為備用，假設(shè)其中的一個變換器發(fā)生故障，另一個可以繼續(xù)運行，使得整體的可靠性得以提高。4.軟件設(shè)計5.仿真或調(diào)試為了驗證控制策略的有效性，分別進展了仿真和實驗研究，使用參數(shù)為：雙饋電機額定功率P=3kW，定子連接方式Y(jié)接，電阻1.35，漏感9.04mH；轉(zhuǎn)子連接方式Y(jié)接，電阻1.45，漏感9.04mH；勵磁電感258.5mH；參數(shù)均折算到定子側(cè)。5.1仿真結(jié)果為驗證最大功率點追蹤性能，系統(tǒng)在1400r/min時并網(wǎng)，然后進展最大功率點追蹤，最后穩(wěn)定在720r/min左右略有波動，總輸出功率到達最大1200W，如圖8a所示。為了考察在不同轉(zhuǎn)速下的有功功率分配情況，在并網(wǎng)后使電機在2000500r/min*圍內(nèi)連續(xù)調(diào)速，無功給定為零。圖8b上圖為轉(zhuǎn)速曲線，中間為總損耗曲線，下列圖虛線為Pmech，實線為Pout?？梢钥闯鯬mech和Pout之間存在差值，即損耗功率，且呈二次曲線擴大。如果采用Pmech最大為追蹤目標(biāo)，則系統(tǒng)對應(yīng)速度為1000r/min，實際輸出功率為1550W，而直接以Pout最大為追蹤目標(biāo)，系統(tǒng)對應(yīng)速度為1100r/min，輸出功