基于雙饋電機的風(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,它直接并入電網(wǎng),以恒速恒頻的方式運行,這種方式結(jié)構(gòu)簡單,價格低廉,但對電網(wǎng)有一定沖擊,風(fēng)能利用效率也不高。近年來,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,特別是通過矢量控制進行有功和無功的解耦控制,實現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。根據(jù)貝茨定理,實現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲需要對風(fēng)機的葉尖速比進行調(diào)節(jié),因此需要測量風(fēng)速。由于風(fēng)速測量儀安裝位置的制約及其他諸多因素,往往不能獲得準確的有效風(fēng)速,因此有研究提出利用風(fēng)機的有功輸出進行風(fēng)速估計,該方法假定空氣密度恒定,在空氣密度發(fā)生變化時,風(fēng)速估計將發(fā)生偏差;還有研究指出在實現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲時,風(fēng)機有功輸出對風(fēng)機轉(zhuǎn)速的導(dǎo)數(shù)為零,因此可以通過主動的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來找到該點并以它作為工作點,該方法不需要利用風(fēng)機的風(fēng)能利用系數(shù)曲線,但連續(xù)的嘗試會給電網(wǎng)帶來不必要的沖擊,同時該方法也不能精確捕捉到最優(yōu)工作點。在實際工作中,利用風(fēng)機制造廠商提供的風(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,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方法,利用空氣密度的估計數(shù)據(jù),得到較精確的有效風(fēng)速,從而實現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。1雙饋電機的模型圖1為雙饋電機發(fā)電系統(tǒng)的模型。發(fā)電機的定子繞組與電網(wǎng)連接,電網(wǎng)對發(fā)電機的影響體現(xiàn)在定子電壓Us;風(fēng)機輸出到發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩Tm是風(fēng)速v,空氣密度kρ和發(fā)電機機械轉(zhuǎn)速ωm的函數(shù);控制器根據(jù)發(fā)電機轉(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,同時假定變頻器有理想的跟隨特性,從而可以忽略它們的動態(tài)。首先考慮風(fēng)機的風(fēng)能捕獲模型。風(fēng)機所捕獲的風(fēng)能可表示為式中:ρ為空氣密度;A為風(fēng)機掃掠面積;cp為風(fēng)機的風(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)機角速度,R為風(fēng)輪半徑。采用標幺值表示,式(1)可以記為標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)出額定功率時對應(yīng)的空氣密度;λopt為風(fēng)能利用系數(shù)最大值對應(yīng)的葉尖速比。為簡單起見,本文忽略標幺符號標志pu。同時,由于實際的研究總是針對固定的槳距角,在表達式中也加以忽略,式(2)可簡記為本文針對無風(fēng)速測量數(shù)據(jù)的情況,利用葉尖速比的表達式消去式(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種不同表達式的風(fēng)能利用系數(shù)。雙饋電機的模型由電壓方程、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)速和機械轉(zhuǎn)速之間滿足ωr=npωm,np為發(fā)電機的極對數(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。電機的轉(zhuǎn)矩方程為式中:J為電機的轉(zhuǎn)動慣量;D為轉(zhuǎn)子的阻尼系數(shù);Te為電磁轉(zhuǎn)矩,可表示為2kcpkp的求解雙饋電機有2個控制輸入(轉(zhuǎn)子的d軸和q軸電壓),通過它們可以控制轉(zhuǎn)子電流,實現(xiàn)2個控制目標,一個是發(fā)電機的轉(zhuǎn)速,另一個可以按照實際需要選擇,本文選擇為電機銅耗最小化。為實現(xiàn)上述多目標解耦控制,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實現(xiàn)電氣轉(zhuǎn)矩的控制,達到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的,而轉(zhuǎn)子電流的d軸分量idr則可用于實現(xiàn)電機銅耗最小化。上述解耦控制的實現(xiàn)需要進行定子磁鏈的定位,本文采用如下的方法:1)對定子和轉(zhuǎn)子電流的測量值進行αβ變換,獲得iαs,iβs,iαr,iβr。2)利用式(7)對ψαs,ψβs進行估算。3)由ψαs,ψβs計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)機轉(zhuǎn)矩和能量的關(guān)系(Tmωm=Pm),結(jié)合式(4)可知實現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩為因此可以通過轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)使kρc′p→kρ來實現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲(廣義風(fēng)能利用系數(shù)的標幺值為1)。kρc′p不能直接測量,可利用式(8)對機械轉(zhuǎn)矩進行估計,結(jié)合式(4)有式中:Te和ωm均可測量,而ωm需要估計。通過對ωm進行離散采樣,可估計如下:利用該估計,可得到kρc′p的估計值如下利用式(15),可進一步對kρ進行估計。假定t1,t2時刻的轉(zhuǎn)速分別為ω1,ω2,上述時刻kρc′p的估計值分別為(kρcp′)t=t1,(kρcp′)t=t2,記它們的比值為如果t1,t2間隔足夠短(仿真中取時間間隔為0.1s),可以認為風(fēng)速和空氣密度都保持不變。上述時刻的葉尖速比滿足關(guān)系:且有結(jié)合式(17)和式(18)有通過求解式(18),可以得到t1時刻的葉尖速比λ1,并進一步推算出當前的空氣密度kρ。式(19)雖然是非線性方程,但對于kλ較小的情況,它在λopt附近單調(diào),因此可通過折半搜索快速求解?；谏鲜龇治?可采用如圖3所示的控制器實現(xiàn)風(fēng)能捕獲最大化。首先基于式(15)對kρc′p進行估算;計算出系統(tǒng)風(fēng)能利用效率與最優(yōu)值之間的誤差ecp,然后通過比例–積分(PI)控制器得到對轉(zhuǎn)子電壓q軸分量uqr進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)對最優(yōu)轉(zhuǎn)速的無差跟蹤,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,因此本文沒有采用文獻中常見的非線性補償?？諝饷芏裙烙嬛档木_程度取決于ωm估計值的準確性,為此上述空氣密度的估計只是在轉(zhuǎn)速變化較慢時進行(變換率在1%～5%/s時)。針對發(fā)電機損耗控制,可將電機在定子和轉(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控制器來實現(xiàn)電流的無差調(diào)節(jié)3空氣密度仿真仿真采用了槳距角為0時的風(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中的實線和圖6給出了空氣密度的估計情況和轉(zhuǎn)速的跟蹤情況:在1s時,風(fēng)速和空氣密度變化,風(fēng)機捕獲的能量增加,控制器基于原有的空氣密度進行風(fēng)速估計,并給出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速設(shè)定,經(jīng)過一個調(diào)速過程(1～2.1s),轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定,此時控制器對空氣密度進行估計,并基于新的空氣密度估計進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)并穩(wěn)定在最優(yōu)轉(zhuǎn)速附近;5s時,風(fēng)速下降,空氣密度上升,控制器根據(jù)錯誤的風(fēng)速估計(偏高)下調(diào)轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)風(fēng)能最大捕獲,在調(diào)節(jié)過程接近完成時(t=5.9s),空氣密度的估計被修正,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,風(fēng)速不變,由于空氣密度的改變造成了轉(zhuǎn)矩的變化,控制器錯誤認為風(fēng)速變小并調(diào)低轉(zhuǎn)速,在調(diào)速過程快完成時(t=9.5s),啟動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mω進行估計,由圖5可知,估計的誤差使得空氣密度的估計值與真實值存在著誤差。但該誤差對風(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)速估計的特點利用風(fēng)機的風(fēng)能利用系數(shù)曲線,可通過轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來實現(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)電機內(nèi)部的狀態(tài)信息對當前風(fēng)速進行估計,從而減少風(fēng)速測量裝置。2)在對風(fēng)速進行估