双馈风力发电系统最大风能捕获控制策略仿真

2020-04-28刘忠好刘忠仁

水电站机电技术 2020年3期

刘忠好，刘忠仁，曾旭

（国网湖南省电力有限公司水电分公司，湖南长沙410004）

1 引言

我国的风能资源十分丰富，因此大规模发展风力发电技术对解决我国能源紧缺和保护生态环境意义重大。变速恒频双馈风力发电系统主要由风力机，双馈异步电机，转子侧和网侧变流器构成，具有较低的电流畸变率，系统功率因数可调，能运行于次同步状态和超同步状态[1-2]。随着风力发电相关技术的迅速发展，双馈风力发电机对电网可以起到无功补偿的作用[3-4]，提高系统的稳定性。

目前众多文献研究了双馈风电机最大风能追踪的控制策略，都基于风速测量基础之上[5]。但实际上，要想在风到达桨叶之前就准确地测出风速是十分困难的。为了实现直接速度控制策略，文中提出了运用转矩观测器来预测风力发电机组机械传动转矩的控制技术，解决了对风速的测量问题。并通过仿真计算验证了该控制方法的正确性和可行性。

2 风能捕获原理

风机捕获功率为：

ρ：空气密度 kg/m3；

R：叶轮半径m；

Vwind：风速 m/s；

CP：风能利用系数，为叶尖速比λ和桨距角β的函数。

在低于额定风速时，控制发电机转子转速使λ维持在最优λopt，从而获得相应风速下最大风能，此时桨距角β一般保持在0°；在高于额定风速时，控制桨距角β，使捕获的最大风能保持恒定。

3 双馈风力发电系统数学模型

3.1 双馈电机数学模型

定子侧采用发电机惯例，转子侧采用电动机惯例，则电压方程和磁链方程在d-q轴坐标系下为：

3.2 转子侧变频器控制原理

这一侧的控制采用定子磁链定向。令ψsd=ψs，有ψsq=0；Usd=0；Usq=Us。定子侧发出的有功功率，无功功率分别为：

从而通过控制转子电流实现了定子侧有功无功的解耦。

为实现最大风能追踪，定子侧输出有功由转子最优转速来确定，从而的值可由图1得到：

图1 转子电流q轴分量给定

而的值由图2可得：

图2 转子电流d轴分量给定

由电压方程和磁链方程得到：

控制转子侧变流器的电压信号的d、q轴分量

可由图3、图4得到：

图3 转子侧变流器控制电压q轴分量给定

图4 转子侧变流器控制电压d轴分量给定

整个转子侧变流器的控制框图如图5。

图5 转子侧变流器控制框图

3.3 网侧变频器控制原理

这一侧的控制采用网侧电压定向。令Ugd=Ug，则Ugq=0。网侧变流器主要实现直流母线电压稳定并对网侧输出的无功功率进行控制。从而的值可由图6得到：

图6 网侧电流d轴分量给定

令的值等于0，使网侧与电网间不存在无功交换。

将PWM变流器在三相静止对称坐标系下的数学模型转换到和电网基波频率同步旋转的d-q坐标系中，有：

可以写成：

其中Lf，Rf是网侧变流器与定子间接口阻抗的等值电感和等值电阻。令：

控制网侧变流器的电压信号的d、q轴分量可由图7、图8得到：

图7 网侧变流器控制电压d轴分量给定

图8 网侧变流器控制电压q轴分量给定

整个转子侧变流器的控制框图如图9。

图9 网侧变流器控制框图

4 最大风能追踪

在额定风速下，风力发电机组控制系统的主要任务是通过对转速的控制来追踪最佳Cp曲线以获得最大能量。通常对转速的控制是通过对发电机转矩的控制来实现。

在这种直接速度控制方案下，可以通过测量风速Vwind，从风力发电机组的功率特性得到λopt，从而推算出发电机所需的最佳速度。最佳转速可根据下式确定：

式中：Tm是驱动风力机的机械转矩，Kopt是具有最佳Cp值的比例系数

由式（1）可以得到Kopt的表达式为：

式中：Cpmax是最佳Cp值，λopt是对应于Cpmax的最佳叶尖速比，H是齿轮箱变速比。

5 仿真分析

仿真电机采用6极绕线式异步电机，额定功率7.5 kW，额定频率50 Hz，额定电压220 V，同步转速104.7 rad/s。

当初始风速为6 m/s时，由式（18），理论上对应的最佳转速为：

根据式（1），对应最大风力机输出功率理论值为1 272 W。

前1.5 s，由仿真波形图10可以看出，双馈电机稳定运行在80.2 rad/s附近，工作在亚同步速状态。由仿真波形图11可以看出，定子侧输出到电网功率为1 585 W，由图12可以看出，转子侧从电网馈入功率460 W，故电机净输出功率为1 125 W，加上定转子铜耗，基本与风力机输出功率理论值吻合。

1.5 s之后，风速上升到 9 m/s，由式（18），理论上对应的最佳转速为：