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基于最优估计双馈异步风力发电机最大功率控制pdf

发布时间:2019-07-04 02:50 来源:未知 编辑:admin

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  电《气自动化)2010年第32卷第3期 新能源发 电控 制技术 TheNew EnergyPowerControlTechnology 基于最优估计的双馈异步风力发电机最大功率控制 西北民族大学 电气工程学院(甘肃 兰州 730124) 马安仁 周志文 吴 韬 摘 要:双馈异步风力发电(doubly.fedinductiongenerator简称 DFIG)技术是 目前风力发电的主导技术。针对DFIG的功率解耦控制,提出 了基于最优估计的最大功率控制方法,解决了传统控制技术中最大功率捕捉的问题。设计了基于该方法的MATLAB仿真系统。 从仿真实验结果可以看出该方法的正确性和实用价值。 关键词:双馈风力发电 最优估计 最大功率捕捉 [中图分类号】TM614;TP273.1 [文献标识码】A 文【章编号】1000—3886(2010)03—0048.03 TheMaximum PowerControIOfDFlG BasedOnOptimalEstimation (Noahw~tUniversityforNationalities,LanzhouGansu730124,China) MaAnren ZhouZhiwen Wutao Abstract:Doubly—fedinductiongenerator(DFIG)istheleadingtechnologyinwindpowercurrently.Inthispaper,decouplingcontrolofDFIGwas studiedandanew methodbasedonoptimalEstimationwasusedtoDFIG system Smaximum powercontro1.Andcomparedwiththe traditionalcontrolmethod,thenewmethodhasagoodcharacteristicinmaximum powerpointtracking.Inthispaper,asimulationsystem basedonthismethodwasdesignedintheMATLAB,theexperimentalresultsofsimulationcouldbeseenthatthemehtodwascorrectnad haspracticalvalue. Keywords:doubly—fedinductiongenerator optimal estimation maximum powerpointtracking 0 引言 山 一 ‰ 0 巾qs 一 一 一 0 在风力发电技术中,大型变速恒频风力发电技术已经成为其 一 dr 0 sx R sX I 主要发展方向。其中,交流励磁双馈 电机发电(简称DFIG)是一种 一s O 一sX 一& 比较优化的发电控制方案。它是通过在双馈发电机的转子侧施加 出 0 0 三相交流电源进行励磁 ,调节励磁电流的幅值、频率和相位,从而 0 0 ‰ (2) 实现定子侧输出电量的控制 “】。 X 0 X 0 l☆ 0 0 l 目前,我国的双馈风力发电机组还处在研发阶段。对DFIG常 旷 见的控制方法是定子有功、无功解耦控制技术。此方案最大的优 公式(1)、(2)中, , , , 分别为定、转子电压的d.q轴分量; 点是减小了功率变换器的容量,降低了成本 ”,且可以实现有功、 , , , 分别为定、转子电流的d,q轴分量; , , , 分别 无功的独立灵活控制”~1。本文在双馈发电机有功、无功功率解耦 为定、转子磁链的d、q轴分量;‰, ,Xm为定、转子的自感及互感; 控制的基础上,重点研究了最大功率的捕捉问题,给出了基于最小 ,R分别为定、转子的电阻;s为转差率。 二乘法的双馈风力发电机最大功率曲线的最优估计,并在此基础 双馈电机定子侧与电网连接,其频率可视为50Hz不变;其电 上提出了最优估计与爬山法相结合的控制方法,从而很好的解决 压为网侧 电压,可视为电压有效值 以不变,定子 电阻压降远 比电 了最大功率捕捉问题。本文设计了双馈 电机风力发电MATLAB仿 机反电势小,可忽略定子绕组电阻,则定子 电压方程简化为: 真系统,对双馈发电机有功、无功功率解耦控制进行仿真研究 ,验 fI Uds=0 “ = O)1 证了该控制方案的有效性和可行性。 1 双馈发电机功率解耦 { 一o9,oi (3) 双馈电机动态数学模型主要包括两种类型,即:三相abc坐标 , =%+寺一(鲁 +) 系下的模型和 d0坐标系下的模型。由于双馈发电机在三相abc坐 其中 =厶一 标系下的数学模型是非线性、时变的高阶系统,为了达到功率解耦 控制,采用 dq坐标系统下的双馈电机动态数学模型 “。 定子侧有功功率和无功功率的计算公式为: 设dq轴以同步速度旋转,其中d轴参考方向定向为定子磁场 I{Q,,:(一L)/厶 ㈩ 方向,则转子和定子 电压和磁链方程为: 由公式 (4)可以看出,双馈发电机定子有功功率和无功功率分 48 lElectricaIAutomation 新能源发 电控制技术 电《气自动化)2010年第32卷第3期 TheNew EnergyPowerControITechnology 别与转子电流的d、q轴分量成线性关系 (其中 ,为转子电流的有 电机转速,通过最优估计的方法对原始最大功率曲线进行修正,在 功分量,i为转子 电流的无功分量),通过调节两个电流分量就可 运行过程中不断对最大功率曲线进行修正 ,从而确保该曲线的精 以分别独立地控制定子的有功功率和无功功率,两者可以实现解 确性 ; 耦控制。 风速变化较大时,根据修正后的最新功率曲线,对系统采用功 在双馈风力发电机系统中,有功功率和无功功率解耦控制一 率信号反馈控制。 方面可以控制整个系统的无功功率平衡,另一方面可以控制风轮 3 最大功率曲线的估计 机进行最大功率捕捉,使风力发电的效率得到显著提高。 最大功率曲线的准确性直接影响到根据最大功率曲线 最大功率捕捉 精确性。由于风机运行时会因为各种损耗而引起功率 曲线出现误 根据空气动力学原理,可以得出风轮机输出功率的表达式为: 差,因此根据厂商提供的试验数据进行控制,并不能得到良好的结 P=CaoAv/2 (5) 果。本文采用最小二乘法进行最优估计,对曲线进行实时修正。 公式 (5)中 P 当系统运行于最大功率点时,根据风力发电系统风能捕获公 为风轮 机输 出功 式: =枷 【 (6) 率,P为空气密度 , 式中:r为风机风轮半径, ~为最大风能利用系数,A叩为 A为转轮旋 转截 最优叶尖速 比, 为发电机转速。 面 面积 (扫 掠 面 积 ),为 风 速 , 设=÷P 一[】3,此时系统输出功率与转速的三次 = _厂(A, )为风 方成正比。令 : ,则式 (6)可转化为:P=k·。 率系数 ,A= 给出P~∞曲线上的 n对观测值 ( P),进而确定参数 k的 oJ.~/ 风轮 叶尖 ∞ l ∞2 ∞3 ∞ 数值; 速 比,a为风机桨 由最小二乘法进行曲线 双馈风力发 电机的最大功率 曲线 矩角。该公式说明 在相同风速下,风力机的不同转速会使其输出的功率不同,要捕获 Q=∑(只一k·端) (7) 最大风能必须在风速变化时及时调整转速 ∞ ,并保持最佳叶尖速 为使 Q达到最小,则应满足 aQ/cgk:0,推得: 比 】。为实现最大风能捕获,根据风力机的三种典型运行状态可 以做出相应调整:①低风速段实行变速运行,可保持一个恒定的 k=∑只 /∑ (8) G值。调节发电机转速并保持不变,直到转速达到极限。根据最佳 由此可见,在风速平稳时对最大功率点数据记录,进而根据上 功率曲线,使风力发电机组具有最高的转换效率 ;②风机在额定转 述方法修正最大功率曲线,从而保证功率信号反馈控制的准确性。 速附近运行时,随着风速的变化,调整转速,改变 的值 ,控制风 4 最大功率控制系统设计 力机运行直到输出最大功率;③在高于额定风速时,主要通过改变 最大功率控制系统由转速和功率双闭环组成。初始状态下, 变桨距系统的桨叶节距来限制风力机获取能量,使风力发电机组 根据原始最大功率曲线对风机进行功率信号反馈控制。风速变化 输出功率达到极限并趋于稳定。 较小时,采用爬山法控制,并通过新数据点对最大功率曲线进行修 本文只考虑前两种情况。获得最大功率的控制方法 目前主要 正。风速变化较大时,根据修正后的最新功率曲线,对系统采用功 有三种:叶尖速比控制;功率信号反馈控制以及爬山搜索控制。叶 率信号反馈控制。 尖速比控制中,风速和风轮的速度都要作为已知信息输入。测量 不同控制方法的切换,可以根据风速变化时发电机转子电流 风速会增加成本 ,并且建立风轮转速和风速之间的关系也不容 有功分量的变化来判断。根据转子电流有功分量的变化率,可以 易。功率信号反馈控制方法避免了风速测量的问题,但存在最大 对风速是否稳定进行判断。设转子 电流中转矩分量的变化率为: 功率曲线很难获得的问题。爬山搜索控制方法是一种局部搜索算 法,该方法的实现途径是尝试小幅度增加风轮转速,如果系统工作 A= (9) 在左半部分,则系统输出的直流功率会增加。一旦功率出现减少 的状况,则说明系统已进入右半部分。这时,就表明找到了最大的 功率点。 在本文中,为了避免现有技术所存在的不足 ,提出了一种不依 赖于风场和风机的任何特性,可以适应风速的快速变化,又能有效 抑制最大功率点附近系统扰动的风力发电最大功率点跟踪控制方 法。具体思路如下: 初始状态下,根据风机的原始最大功率曲线,进行功率信号反 馈控制 ;风速变化较小时,采用爬山法控制,通过转速扰动获得当 前风速下的最大输出功率,并记录下当前的最大功率和对应的发 图2 最大功率捕捉控制图 ElectricaIAutomationl49 电《气自动化)2oio年第32卷第3期 新能源发电控制技术 TheNew EnergyPowerControlTechnology 给定一定值 ,当A≥ ,认为风速变化较大,采用功率信号 在 t=ls时风速上升到 15m/s(模拟超同步运行),保持风速 反馈控制方法对系统进行控制;当A≤ 时,认为风速平稳,采用 1s后,在 t:2s时风速下降为 10m/s(模拟次同步运行)。图4至图 爬山法控制,寻找此风速下的最大输出功率值点,并对最大功率 曲 7仿真图形均根据风速的变化而变化。 线进行修正。 从上述仿真结果可以看出:当风速没有变化之前定子电流是 5 基于 MATLAB的仿真 稳定的,其电压、频率、幅值都与电网一致 ;当 t=ls,风速上升时, 定子电流增加,所以波形幅值变大,经过0.15s电流达到稳定,系 根据以上控制思想,在MATLAB环境中设计了最大功率控制 统的响应较快。与功率变化曲线相 比较可以看出;当风速增加时, 系统,如图3所示: 电机的有功输出快速增加,表明该控制方法具有最大风能自动捕 系统的参数:相 .相有效值电压 U=400v,频率 厂=50Hz,连接 获的调解特性,且定子电流增加的主要成分是有功电流分量;转子 方式: ,容量为30MVA。在逆变器的模块中有如下参数设置:桥臂 电流从同步状态 (f~--0Hz)变化为超同步状态 (fOHz)。当 t=2s, 数为3;吸收电阻为500011;在控制系统模块中参数如下:逆变器的最 风速下降时,变化过程与上述过程正好相反。从发电机的输出有 大能量0.5MW,额定的直流线F。在 功功率和无功功率曲线可以看出:风速无功功率曲线也会发生波 风机模块中参数为:输出功率为1.5MW,额定风速为12m/s。电机的 动,但基本控制在额定功率附近。 图3 系统matlab仿线】张崇巍,张兴,PWM整流器及其控制 M【】.机械工业 出版 社,第一版,2005. 【4]MullerS,DeiekeM,DeDonckerRW.Ad— justablespeedgenerationsforwindturbinesbased ondoubly-·fedinductionmachinesand4-·quadrant IGBT convel~ers linked to the rotor[C】.IEEE ProceedingofIAS’00 Rome,2000. , [5】DattaR,RanganathanV T.Variable—speed wind powergeneration using doubly fed wound rotorinductionmachine-acomparisonwithalter— nativeschemes[J】.IEEETrnas.onEnergyCon- version,2002,17(3):414—421. 6【】申洪,王伟胜,戴慧珠 .变速恒频风力发 电 图4 定子 电流波形 图5 转子 电流 机组的无功功率极限 J【】.电网技术,2003,27 (11):6O一63. 7【】ZhangXF,XuDP,LiuYB.Adaptiveop— timalfuzzycontrolforvariablespeedfixedpitch windturbinesC【】.Proceedingsofthe5thWorld CongressOilIntelligentControlandAutomation, China,2004:2481—2485. 【8】SenjyuT,SakamotoR,UrasakiN.Output powerlevelingofwind turbine generatorforall operatingregionsbypitchanglecontrol【J】.IEEE TransactionsonEnergyConversion,June2006,21 (2):467—475. 图6 发电机转速 曲线 风力发电机输出功率 曲线 IElectricaIAutomation

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