变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制
变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制
刘其辉!贺益康!赵仁德
浙江大学电气工程学院 浙江省杭州市310027
摘要!根据风力机的特性 探讨了追踪~捕获最大风能的方法;在分析双馈型异步发电机数学模型
和磁场定向矢量变换控制的基础上 提出了变速恒频风力发电机的有功~无功功率解耦控制策略 详细的仿真研究验证了控制策略的正确性和可行性
关键词!变速恒频风力发电系统;最大风能捕获;矢量变换控制;交流励磁中图分类号!TM 614;TM 761
收稿日期=2002-11-20
国家科技攻关计划项目 2001AA 512023)
引言
变速恒频发电是20世纪末发展起来的一种新型发电方式 它将电力电子技术 矢量变换控制技术和微机信息处理技术引入发电机控制之中 改变了以往恒速才能恒频的传统发电概念 在变水头的水力发电 能量随机变化的风力发电 以及舰船 飞机 车辆等变速主轴驱动的特殊发电场合中获得了越来越广泛的应用 并表现出了卓越的运行性能 成为电
力技术研究中的热点[
1 2]
在风力发电应用中 变速恒频发电技术更表现
出了其独特的优越性[3]
a .风力是一种具有随机性 爆发性 不稳定性特征的能源 用于风能捕获的风力机在不同风速下有一个最佳运行转速 此时对风能的捕获效率最高 而且风施加给风力机的应力最小 所以应控制风力发电机组运行在这个优化的转速下 传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上 当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速 导致运行效率下降 不但浪费风力资源 而且增大风力机的磨损 采用变速恒频发电方式 就可按照捕获最大风能的要求 在风速变化的情况下实时地调节风力机转速 使之始终运行在最佳转速上 从而提高了机组发电效率 优化了风力机的运行条件
b .变速恒频发电是在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现交流励磁 控制励磁电流的幅值 频率 相位 实现输出电能恒频恒压 同时采用矢量变换控制技术 实现发电机输出有功功率 无功
功率的解耦控制[
3 4]
控制有功功率可调节风电机组转速 进而实现最大风能捕获的追踪控制~调节无
功功率可调节电网功率因数 提高风力发电机组及电力系统运行的动 静态稳定性
c .采用变速恒频发电技术
可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接 比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行
d .采用现代电力电子手段 可构造出输入 输出特性良好 功率可双向流动的P WM 整流-P WM 逆变形式的全控双P WM 变频器 将其用做交流励磁电源 在实现发电机同步速上 下变速恒频发电的基础上又保障了发电质量 大大减少了电力系统谐波污染 真正意义上实现了能源的绿色变换
变速恒频技术在水力 风力等可再生能源的应用研究中已有不少成果 解决了很多基础理论及疑
难技术问题[3 4] 但变速恒频风力发电系统是一个
庞大复杂的机电能量转换系统 包含了流体与机械力学 电工学与电子学 控制理论与微机控制等众多学科的交叉知识和技术 其深入研究应从系统的角度综合进行 目前国内有关文献大多是从某单一学科的角度开展讨论 对整个系统进行综合分析的比较少
针对这些现状 本文从分析风力机特性出发 研究实现最大风能捕获的风电系统控制方法 根据双馈型异步发电机的特性 采用定子磁链定向的矢量变换控制技术 对发电机转子进行交流励磁 实现发电机有功 无功的解耦控制 从而实现最大风能捕获的高效发电运行 完整的风电系统仿真研究验证了本文提出的控制策略的正确性和有效性
风力机最大风能捕获控制机理
根据贝兹证明 风力机从风能中吸收的功率P
为[5]
P I
1
2C P A
U 3
1
2
6第27卷第20期2003年10月25日
Vol .27No .20O ct .25 2003
式中为空气密度U为风速A为风力机扫掠面积C
P
为风力机的功率系数它是叶尖速比X和浆叶
节距角O的函数X I U
m R U U m 为风力机机械角速
度R为风轮半径
在O一定时风力机C
P
-X曲线如图1所示可以看出对于一台确定的风力机在O不变时总有一
个对应着最佳功率系数C
P m ax 的最佳叶尖速比X
o p t
此时风力机的转换效率最高换言之对于一个特定的风速U风力机只有运行在一个特定的转速U
m 下才会有最高的风能转换效率
图l风力机C
p7曲线
F i g.l C p7curve of a w i nd-t urbi ne
图2是一组在不同风速U
1U2U3下风力机
的输出功率特性P
o p t
曲线是各风速下最大输出功率点的连线即最佳功率曲线
图2风力机的功率特性
F i g.2Power characteristics of a w i nd-t urbi ne
风力机运行在P
o p t
曲线上将会输出最大功率P m ax其值为
P m ax I k U3m2
式中k I A R X
o p t 3C
P m ax
2
可以看出在同一个风速下不同转速会使风力
机输出不同的功率要想追踪P
o p t
曲线必须在风速
变化时及时调整转速U
m
保持最佳叶尖速比
风机转速U
m
可以通过风力机浆叶变节距调节也可以通过控制发电机输出功率调节采用风力机变节距调速的困难在于风速难检测调速精度低变距系统结构复杂维护困难为避免这些问题本文通过控制发电机输出有功功率来调节发电机的电磁阻转矩进而调节发电机的转速
由双馈型异步发电机的功率关系可知
P1I P e-P cu1-P f e1
P e I
P M-P m,
1-s
I
P m
1-s
P e I
P2i P2,
s
3
式中P
1P cu1P f e1
分别为发电机定子的输出功率\
铜耗\铁耗P
e
为发电机电磁功率s为发电机转差
率P
M P m,P m
分别为发电机输入机械功率\机械
损耗和吸收的净机械功率P
2P2,
分别为发电机转子功率和转子损耗
为实现最大风能追踪控制应依据风力机最佳
功率曲线和风力机转速U
m
来实时计算发电机的输
出有功功率指令P令式3中的P
M I P m ax
由式2和式3可得
P I
P m ax
1-s
-丛P I
k U3m
1-s
-丛P
丛P I P cu1+P f e1+
P m,
1-s
4
按照指令P控制发电机的输出有功功率就可实现最大风能的追踪与捕获追踪最大风能的过
程可由图2定性解释假设原先在风速U
3
下风力机
稳定运行在P
o p t
曲线的A点上此时风力机的输出
功率和发电机的输入机械功率相平衡都为P
a
风
力机稳定运行在转速U
1
上如果某时刻风速升高
至U
2
风力机就会由A点跳至B点运行其输出功
率由P
a
突变至P
b
由于惯性作用和调节过程的滞后发电机仍暂时运行在A点其输入功率大于输出功率功率的失恒导致转速上升在转速增加的过程中风力机和发电机分别沿着BC和AC曲线增速当到达风力机功率曲线与最佳曲线相交的C
点时功率再一次平衡转速稳定为U
2U2
就是对应
于风速U
2
的最佳转速同理也可分析从风速U
1
到
U2的逆调节过程
由式4知发电机有功功率指令P应根据转
速U
m
和发电机损耗丛P来计算其中转速可以精确测得但发电机损耗却难以准确估算这势必产生P的计算误差影响对最佳风能的追踪效果
设计算所得功率指令为P,I P+P
E
其中P
为准确的功率指令P
E
为计算误差设根据P和P,追踪获得的最大功率分别为P m ax和P m ax,则根据式4可求得
P m ax,I P m ax+1-s P E5可以看出由于功率指令的计算误差追踪的
H最佳曲线H比理想的最佳曲线上下平移了1-s P
E 的偏差如图3所示P
E0
机组跟踪的是图中的P o p t1曲线P E0跟踪的是P o p t2曲线由于P E不
36
!研制与开发!刘其辉等变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制
大9P
o p t1或P
o p t2
都很接近理想最佳曲线G这样9即使
对P的计算不很准确9也能使发电系统运行在H次最佳状态,9所获得的最大风能追踪控制效果仍较理想9具有很大的实用价值G
图3最大风能追踪误差
F i g.3M axi mu m w i nd ener gy traci n g error
2变速恒频发电机P!@解耦控制
通过以上分析得知9风电系统中发电机控制的目标是①实现变速恒频运行9满足电网对电能质量的要求$②对有功功率P!无功功率@进行解耦控制9实现最大风能追踪的目的G为此9应采用磁场定向矢量变换控制技术9通过对励磁用P WM变频器各分量电压\电流的调节来实现这个控制过程G
2.定子磁链定向m t坐标系中双馈型异步发电机数学模型
为分析控制变量关系9按发电机惯例建立双馈型异步发电机数学模型9坐标系选择如图4所示G 图中9m-t为两相同步速旋转坐标系9m轴定在定子磁链矢量l
1
的方向G这样m9t轴上的磁链分量分
别为
m1=19
t1=0
G
图4坐标变换系统
F i g.4Coordi nate transf or m ation s y ste m
由于发电机定子侧频率为工频9定子电阻远小于定子绕组电抗9可以忽略9因而发电机感应电动势E1可看做等于定子侧端电压u1G因为E1比l1落
后909故E
1和U
1
位于t轴的负方向9从而有
u m1=09u t1I-u1G忽略定子电阻时发电机电压和磁链方程为[6~8
1I
u1
U1
p1I0
u m2I r2i m2+p m2-U s t2
u t2I r2i t2+p t2+U s m2
6
i m2I
1
L m
L s i m1-1
i t2I
L s
L m
i t1
m2I-L m i m1+L r i m2
t2I-L m i t1+L r i t2
7
式中L
s
9L
r
9L
m
分别为发电机定\转子等效自感和
互感$r
2
为转子绕组电阻$i
m1
9i
t1
9i
m2
9i
t2
分别为定\
转子电流的m9t轴分量$U
1
9U
s
分别为同步角速度及转差角速度$p为微分算子G
从式6可看出9不计定子电阻影响时9发电机
的定子磁链
1
为常数9其值为定子电压与同步角速度之比G
2.2发电机矢量变换控制系统结构
按u
m1I0
9u
t1I-u1
关系9发电机的功率方程为
P I-u1i t1
@I-u1i m1
8可以看出9有功功率P!无功功率@分别与定子电流在m9t轴上的分量成正比9调节转矩电流分
量i
t1
和励磁电流分量i
m1
可分别独立调节P和@G 由前面发电机的电压和磁链方程可以导出
u m2I u m2,+丛u m2
u t2I u t2,+丛u t2
9
u m2,I R2+b p i m2
u t2,I R2+b p i t2
10
丛u m2I-b U s i t2
丛u t2I a U s1+b U s i m2
11
式中u
m2,
9u
t2,
为分别与i
m2
9i
t2
具有一阶微分关系
的电压分量$丛u
m2
9丛u
t2
为电压补偿分量9为消除转
子电压!电流交叉耦合的补偿项$a I-L
m L s
$b I L r-L2m L s G
这样将转子电压分解为解耦项和补偿项后9既简化了控制9又能保证控制的精度和动态响应的快速性G
按式6式11可设计出变速恒频发电机定子磁链定向的矢量变换控制系统框图9如图5所示G 系统采用双闭环结构9外环为功率控制环9内环为电流控制环G在功率环中9有功功率指令P按式4计算得到9无功功率指令@可根据电网对无功功
4
6200392720
率的要求计算9也可从发电机的功率消耗角度来计算o指令P9@与功率反馈值P9@进行比较9差值经PI型功率调节器运算9输出定子电流无功分量
及有功分量指令i
m1和i
t1
o i
m1
和i
t1
按式(7)计算9
得到转子电流的无功分量和有功分量指令i
m2和
i t2;i m2和i t2与转子电流反馈量比较后的差值送入
PI型电流调节器9调节后输出电压分量u m2,和
u t2,9加上电压补偿分量就可获得转子电压指令
u m2和u t29旋转变换后得到发电机转子三相电压
控制指令u
a
9u
B
和u
c
o
图5变速恒频风力发电机矢量控制系统框图
F i g.5V ect or control dia g ra m of t he VSCF w i nd-p ower g enerat or
系统所采用的定子磁链观测器为较实用的u-U
型磁链观测器9其运算关系如图6所示o
图6型定子磁链观测器
F i g.6t yp e st at or fl ux li nka g e observer
由于发电机定子磁链矢量l
1
超前定子端电压
矢量U
1为909若电压矢量U
1
相角为O
u
9则定子磁
链矢量l
s 的相角O
s
为C
O s I O u+90(12)
定子磁链矢量l
s 的幅值
1
可根据式(6)求出o
3变速恒频风力发电系统运行仿真
基于定子磁链定向矢量变换控制的变速恒频风力发电系统模型9采用MATLAB/S I MULI NK软件进行风速变化下最大风能追踪控制的运行仿真o MATLAB/S I MULI NK的Po Wer s y st e m元件库内有很多包括电机在内的电气器件模型9但没有
风力机模型o根据风力机特性和参数9可以建立如图7所示的风力机模型o模型的输入为角速度U
m 和风速U9输出为驱动转矩T
L
o
图7风力机模型结构
F i g.7S truct ure of t he w i nd-t urbi ne m odel
仿真中所用的参数如下o三相绕线式异步发电机C四极9额定功率2.1k W9额定电压220V9额定
频率60~Z9定子电阻r
1
和漏感L
1G
分别为0.435f9 2m~9转子电阻r2和漏感L2G分别为0.816f9 2m~9互感L m=69.31m~9转动惯量J= 0.089k m2o风力机C浆叶半径R=2.3m9额定
功率2.2k W9最佳风能系数C
P m ax
和最佳叶尖速比X o p t分别为0.43和9o假定空气密度= 1.25k/m39无功功率参考值@=350var o风力机与发电机轴间通过一增速比N=7.846的变速齿
轮箱连接9故发电机角速度U
r
和风力机角速度U
m
的
关系为U
r=N U m=7.846U m
o对应风速U的发电机
56 !研制与开发!刘其辉等变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制
理论最佳角速度U r o p t 为:
U r o p t =X o p t NU R I 9X7.846U 2.3
E 30.7U <13>假定第10s 时风速由4m /s 升至6.8m /s 按式<13>得到两个风速下发电机的理论最佳转速分别为122.8rad /s 和208.7rad /s 发电机并网前空载运行 角速度为167.5rad /s 0.5s 时刻切入电网<并网过程分析将另文讨论>
图8所示为随着风速的变化发电机转速调节的过程 第1次调节是从并网时刻的167.5rad /s 开始 5s 后转速达到稳定;第2次调节开始于风速发生阶跃的10s 时刻 在15s 时刻转速趋于平稳 调节后两个最佳角速度分别稳定在122.6rad /s 和207.92rad /s
与理论计算值非常吻合 图8风速v 和发电机角速度 r
F i g .8W i nd vel ocit y v and g enerat or an g le s p eed r
图9和图10分别描述了在追踪最大风能过程中发电机和风力机的功率与转矩的调节过程
图9发电机的电磁转矩T e 和风力机驱动转矩T L
F i g .9E lectro m a g netic t or and drivi n g t or 图l0发电机输出有功功率P l 和风力机 输出机械功率P m F i g .l00ut p ut active p ower P l of t he g enerat or and out p ut m echanical p ower P m of t he w i nd-t urbi ne 图11为发电机定子电流波形 可以看出 在最 大风能追踪控制下 发电机输出有功功率相应地变化 在电网电压恒定的情况下表现为定子电流的幅值相应地变化 整个过程中定子电流频率始终保持恒定<60~Z > 图ll 发电机定子电流i l F i g .ll S t at or current i l of t he g enerat or 从图8~图11可知 在风速变化时 发电机不 但能自动调节至最佳转速 使风力机捕获到最大风能 而且还能将捕获的能量转换为恒定频率的电能进行输出 以满足电网的要求 图12为转子电流的变化过程 随着发电机转速的变化 转子电流频率相应地变化 转速过同步点时其频率为0 图l2发电机转子电流i 2 F i g .l2Rot or current i 2of t he g enerat or 图13和图14描述了发电机定!转子侧的功率情况 图l3发电机输出有功功率P 和无功功率@F i g .l3O ut p ut active p ower P and reactive p ower @of t he g enerat or 图l4发电机转子侧有功功率P 2 F i g .l4Rot or active p ower P 2of t he g enerat or 6 6 2003 27<20> 从图13可以看出 随着风速的变化发电机输出有功功率P 相应变化时 无功功率@不受其影响 保持设定的350var 不变 实现了P 和@的解耦控制 图14表示了在追踪最大风能过程中发电机转子侧功率P 2的流向 当发电机亚同步速运行时 P 2 0 表示功率从电网流向发电机 超同步运行时 P 2 0 表示功率从发电机流向电网 采用功率可双向流动的双P WM 变频器作为发电机转子侧的交流励磁电源 不但改善了电能的质量 而且很好地解决了发电机运行在亚同步和超同步转速下的功率流向问题 4结语 本文在分析了风力机特性和双馈型异步发电机 数学模型的基础上 研究了追踪最大风能的控制策略 其特点是通过控制发电机输出有功功率来调节电磁转矩和转速 在风速变动情况下保持恒定的最佳叶尖速比 从而实时追踪最佳功率曲线 本文将定子磁场定向的矢量变换控制技术应用在对双馈型异步发电机的控制上 获得了发电机有功功率和无功功率的解耦控制能力 为追踪与捕获最大风能创造了条件 计算机建模与仿真验证了文中所提出的变速恒频风力发电系统控制策略满足变速恒频和追踪最大风能的要求 具有良好的动 静态性能和较高的鲁棒性 对实际系统的运行控制具有指导意义 参考文献 1Ion Bol dea Luci an Tut el ea Ioan S er Ban .Vari aBl e S p eed E l ectri c Generat ors and Their Contr ol An Em er i n T echnol o y .Jour nal of E l ectri cal En i neeri n 2002 3 20~282T an Y Xu L.A F l exi Bl e A cti ve and Reacti ve Po Wer Contr ol S trat e y f or a Vari aBl e S p eed Const ant Fre C uenc y G enerati n S y st e m.I EEE T rans on Po Wer E l ectr oni cs 1996 10 4 472~478 3Pena R.C l are J C A sher G M.DouBl y Fed I nducti on Generat or Usi n Back-t o-Back P WM Convert ers and Its A pp li cati on t o Vari aBl e-s p eed W i nd-ener y Generati on .I EE Pr oceedi n s E l ectri c Po Wer A pp li cati ons 1996 143 3 231~2414廖勇 杨顺昌 L i ao Yon Yan Shunchan .交流励磁发电机励磁控制 The Excit ati on Contr ol of A lt er nati on Current Excit ed G enerat or .中国电机工程学报 Pr oceedi n s of t he CSEE 1998 18 2 87~90 5黄科远 贺益康 卞松江 ~uan Ke y uan ~e Y i kan B i an Son i an .矩阵式变换器交流励磁的变速恒频风力发电系统研究 I nvesti ati on of a M atri x Convert er-excit ed Vari aBl e-s p eed Const ant-f re C uenc y W i nd-p o Wer G enerati on S y st e m .中国电机工程学报 Pr oceedi n s of t he CSEE 2002 22 11 100~1056韦忠朝 辜承林 W ei Zhon chao Gu Chen li n .变速恒频双馈发电机矢量控制策略及特性分析 Vect or Contr ol S trat e y of t he VSCF DF I G and t he Anal y si s of Its Charact eri sti cs .华中理工大学学报 J of ~uaZ hon Uni v of S ci T ech 1996 24 9 7朱振东 Zhu Zhendon .发电机交流励磁变速运行的研究 博士学位论文 I nvesti ati on of Vari aBl e S p eed AC Excit ed Generat or Doct oral D i ssert ati on 杭州 浙江大学 ~an Z hou Zhe i an Uni versit y 19968陈伯时 陈敏逊 Chen Boshi Chen M i nxun .交流调速系统 AC D ri ve S y st e m 北京 机械工业出版社 Bei i n Chi na M achi ne Press 1998 刘其辉(1974T)9男9博士研究生9主要从事电机及其控制以及电力电子的研究O E -m ail 2li u C i huif ei @sohu .co m 贺益康(1941T)9男9教授9博士生导师9I EEE 高级会员9主要从事电机及其控制以及电力电子的研究O E -m ail 2y khe @p uBlicl .hZ .Z .cn 赵仁德(1976T)9男9博士研究生9主要研究方向为电机及其控制\变速恒频风力发电技术O THE MAXI MAL W I ND -ENERGY TRAC I NG C0NTR0L 0F AVARI ABLE -SPEED C0NSTANT -FRE O UENCY W I ND -P0W ER GENERATI 0N SYSTE M L i u @i hui ,~e Y ik a1g ,zhaO Re1de (Zhe i an Uni versit y ,~an Zhou 310027,Chi na )Abstract Z Based on t he anal y sis of W i nd-t ur Bi ne characteristics ,t he i dea of traci n and ca p t uri n m axi m al W i nd ener y is i nvesti ated .B y anal y Zi n t he m at he m atical model of a douBl y -f ed i nducti on enerat or (D I FG )and t he fi el d-ori ented vect or transf or m ati on contr ol sche m e ,t he contr ol strate y of a vari aBle-s p eed constant-f re C uenc y (VSCF )W i nd ener y enerat or Which can realiZes t he i nde p endent re ul ati on of t he acti ve p o Wer and reacti ve p o Wer of D I FG is p ut f or War d .D etail ed si mulati on st ud y verifi es t he correct ness and f easi Bilit y of t he p r o p osed contr ol strate y . This Wor k is su pp orted B y Nati onal Ke y T echnol o i es R D Pr o ra m (No .2001AA 512023). K e y words Z VSCF W i nd ener y enerati on s y ste m ;m axi m al W i nd ener y ca p t ure ;fi el d-ori ented vect or transf or m ati on contr ol ;AC excitati on 7 6!研制与开发!刘其辉等变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制 变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制 作者:刘其辉, 贺益康, 赵仁德 作者单位:浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市,310027 刊名: 电力系统自动化 英文刊名:AUTOMATION OF ELECTRIC POWER SYSTEMS 年,卷(期):2003,27(20) 被引用次数:157次 参考文献(8条) 1.Pena R;Clare J C;Asher G M Doubly Fed Induction Generator Using Back-to-back PWM Converters and Its Application to Variable-speed Wind-energy Generation[外文期刊] 1996(03) 2.Tang Y;Xu L A Flexible Active and Reactive Power Control Strategy for a Variable Speed Constant Frequency Generating System[外文期刊] 1996 3.廖勇;杨顺昌交流励磁发电机励磁控制[期刊论文]-中国电机工程学报 1998(02) 4.陈伯时;陈敏逊交流调速系统 1998 5.朱振东发电机交流励磁变速运行的研究[学位论文] 1996 6.韦忠朝;辜承林变速恒频双馈发电机矢量控制策略及特性分析(Vector Control Strategy of the VSCF DFIG and the Analysis of Its Characteristics) 1996(09) 7.黄科远;贺益康;卞松江矩阵式变换器交流励磁的变速恒频风力发电系统研究[期刊论文]-中国电机工程学报2002(11) 8.Ion Boldea;Lucian Tutelea;Ioan Serban Variable Speed 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