双馈型变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制研究_蒋禹

⎧⎪⎪ird ⎨ ⎪⎪⎩ irq
= =
Ls Lm Ls Lm
isd isq
+ +
1 Lm
Ψsd
1 Lm
Ψsq
(9)
式中： Ls 为定子自感； Lm 为定转子之间的互感；
Ψsd 、Ψsq 为磁链在同步旋转坐标系下的 d、q 分量。
电网电压定向的矢量控制系统中，双馈电机定
子绕组直接与电网相连，设所连电网为强电网，则
1）读入机组转速，由式(5)计算有功功率参考 值，无功功率参考值设为 0。
2）读入电网电压、发电机定子电流等值，经 a-b-c 到 d-q 的坐标变换后由式(8)计算功率反馈值，
Ps + _
Qs
+
_
isd
PI
Ls/Lm
ird +
PI
isq
Ls/Lm
irq + _
_
ur′d
urd
PI + _
坐 标
PI Δurd + ur′q _
3 仿真分析
采用 Matlab/Simulink 软件对基于矢量变换控 制的双馈型变速恒频风力发电机的最大功率捕捉 策略进行仿真。发电机参数：极对数为 3，额定功
率 10 kW，额定电压 220 V/50 Hz，定子电阻 0.08 Ω， 定子漏感 1.1 mH，转子电阻 0.1 Ω，转子漏感 2.2 mH， 互感 42.5 mH，转动惯量 0.4 kg·m2。风力机参数： 风轮直径 8.5 m，起动风速 4 m/s，最佳叶尖速比为 9，最佳风能系数为 0.43。图 4 为发电机有功功率 P1、无功功率 Q1 以及风轮角速度ω随风速 v 变化的 曲线。可以看出，随着 v 的变化，P1 和ω 相应地发 生变换，而 Q1 基本不变，Q1 不随 P1 的变化而变化， 实现了有功、无功功率的解耦。图 5 为风速变化时 风力机实际输出功率 Po、理想最大功率 Pomax 和叶 尖速比λ的对照曲线。可以看出，在风速不断变化 的情况下，风力机的输出功率一直跟踪最大功率， 叶尖速比接近最佳叶尖速比 9，有效地实现了最大 风能跟踪控制。
1 风力机运行特性
风力机通过桨叶捕获风能，并将风能转化为机
械能。根据贝兹原理，风力机捕获的机械功率[5-6]为
⎧0,
v < vin
P
=
⎪ ⎪⎨Cp
(λ
,
β
)
1 2
ρ
Av
3
,
vin ≤ v < vR
(1)
⎪ ⎪
PR
,
⎩ 0,
vR ≤ v < vout v ≥ vout
式中：Cp(λ，β)为风力机风能利用系数，λ为叶尖速 比，β为桨叶节距角；v 代表风速；vin、vR、vout 分 别为风力机启动风速、额定风速和切入风速；A 为
蒋禹，高雪松
（华能阜新风力发电有限责任公司，辽宁省 阜新市 123003）
Study on Maximum Wind Energy Tracing of Doubly-Fed VSCF Wind-Power Generation System
JIANG Yu，GAO Xue-song
（Fuxin Wind-Power Generation Co., Ltd.，China Huaneng Group，Fuxin 123003，Liaoning Province，China）
(3) 式中 1 = 1 − 0.035 。
λi λ + 0.08β β 3 + 1 而叶尖速比λ 可表示为
λ =ωR/v
(4)
式中：ω为风力机风轮角速度；R 为叶片半径。
不同风速下风力机的输出功率特性(β =0°)如
图 1 所示[8]，其中 Pmax 线是各风速下风力机最大输 出功率的连接线，即最佳功率曲线，且 v1>v2>v3。 可以看出为实现最大风能追踪，必须在 v 变化时实
2.2 功率控制的最大风能追踪过程 参照前图 1 对采用功率控制的最大风能追踪过
程进行分析。坐标平面可以按 Pmax 曲线划分为 3 个 区域，分别是：1）左侧区域，相同转速下风机输 出功率大于功率参考；2）右侧区域，相同转速下， 风机输出功率小于功率参考；3）与 Pmax 线重合的 区域，重合区域风力机已工作在最大功率点上，无 需进行控制。
通过分析可以看出，进行双馈电机的有功无功 功率解耦，通过控制双馈电机的有功功率来进行最 大风能追踪是可行的。 2.3 最大风能追踪控制算法
进行变速恒频双馈风力发电最大风能追踪控 制的核心在于双馈电机的功率解耦控制，本节将论 述基于电网电压定向矢量控制的双馈电机有功、无 功功率解耦控制算法。选择电网电压为定向矢量的 原因是电网电压可直接测量，不受电机参数的影 响，定向准确[9]。
双馈型变速恒频风力发电技术的优势正逐渐 突显出来，该技术控制灵活，运行效率高，特别是 在最大风能追踪方面可在较宽范围内变速运行。双 馈型变速恒频风力发电系统的最大风能追踪是指 系统工作在启动风速和额定风速之间时，控制发电 机在运行时的 Pout 值保持最大[1]。
以往的最大风能捕获方法主要有叶尖速比(tip speed ratio，TSR)控制法[2]和爬山法(hill climb
时地调整电机转速ω，使风力机的输出功率最大。
P
Pmax
E
AC
B v3 D v2
v1
ω1 ω2 ω3
ωm
图 1 风力机的输出功率特性曲线
2 风力机最大风能追踪的实现
2.1 概述
在已知风速和风力机特性曲线的情况下，我们
可以计算出最优转速，对机组进行直接转速控制，
使机组运行在这个最优转速下，从而实现最大风能
对于采用电网电压定向的矢量控制系统，通过 调节转子绕组的三相电流、电压可实现对定子侧有 功功率和无功功率的解耦[10]。坐标系选择[11]见图 2。
由坐标变换可推导出同步旋转坐标系下双馈
β q
b
x d
a
c
图 2 坐标变换系统
262
蒋禹等：双馈型变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制研究
Vol. 32 Supplement 2
追踪。这种方法控制目标明确，原理简单，易于在
实验室条件下实现，但由于风速变化情况复杂，风
速检测的误差会降低最大风能追踪的效果。
双馈电机的一个很大的优点在于其可以进行
有功和无功功率的解耦控制，这样就可，其实质是通
过控制双馈电机输出有功功率来控制电机电磁阻
转矩，从而间接控制机组的转速，使风力机运行在
风力机桨叶扫掠面积；ρ 为空气密度。
本文主要研究的是风速小于额定风速的情况，即
P
=
1 2
Cp
Aρ v 3
(2)
由式(2)可以看出，在风速 v 给定的情况下，风
第 32 卷 增刊 2
电网技术
261
力机捕获的功率取决于功率系数 Cp，而 Cp 又是叶 尖速比和桨叶节距角的函数[7]，即
Cp (λ, β ) = 0.5176(116 / λi − 0.4 β − 5)−21/ λi + 0.0068 λ
( Rr ( Rr
+ +
a 2 D )ird a 2 D )irq
(13)
⎧⎪Δurd = a2ω2irq − a1ω2Ψs ⎨⎪⎩Δurq = −a2ω2ird
(14)
式中 a1 = Lm / Ls ， a2 = Lr − L2m / Ls 。 图 3 给出了双馈电机电网电压定向矢量控制功
率解耦算法逻辑图。其具体控制过程描述如下：
关键词：风力机；变速恒频；最大功率捕获；双馈电机；矢 量控制
0 引言
能源是现代社会和经济发展的基础。经济的发 展与人口的增长使得能源需求日益增加，同时以煤 炭、石油和天然气为主的常规能源对自然环境产生了 严重的污染和破坏，人类正面临着能源利用和环境保 护的双重压力。因此，风能、太阳能等可再生能源具 有广泛的应用前景。风力发电是新能源中技术最成熟 的发电方式之一，因此受到了世界各国的重视，风力 发电也获得了更多的优惠政策和资金支持。
其定子电压的幅值和频率都是恒定的，忽略定子电
阻上的压降，稳态时定子磁链落后定子电压 90°，
落在 q 轴的负半轴上，则有
⎧⎨⎩ΨΨssdq
= =
0 −Ψs
=
−us
/ ω1
(10)
将式(10)带入式(9)化简得
⎧⎪⎪ird ⎨ ⎪⎪⎩ irq
= =
Ls Lm Ls Lm
isd isq
−
1 Lm
Ψs
(11)
摘要：阐述了风力机的运行特性，分析了变速恒频风力发电 系统风速与风力机功率的数学关系，提出一种变速恒频风力 发电机最大功率捕获方法，分析了通过功率控制进行最大风 能追踪的具体过程，研究了双馈电机有功、无功功率的解耦 控制方法，建立了基于电网电压定向矢量控制的双馈型变速 恒频风力发电系统最大功率捕获系统模型，并利用 Matlab/Simulink 对其进行仿真，结果验证了该控制策略的正 确性和有效性。
基金项目：辽宁省高校优秀人才基金资助项目(2005219005)。
searching，HCS)[3-4]。TSR 控制法需要实时精确地 测量风速，这在实际现场较为困难。HCS 控制法是 通过实时测量风力机转速和输出功率，利用经典数 学寻优方法跟踪最大输出功率点。该方法避免了测 量风速的问题，但需要实时测量风力机输出功率和 风力机转速，并且测量时间往往影响控制精度。本 文提出一种既不依赖于风速测量，又具有较高控制 精度的最大风能捕捉策略。该策略利用风力机特性 和双馈电机功率特性实现定子有功功率的控制，从 而实现发动机转速的调节。本文将应用矢量控制实 现双馈电机有功和无功功率的解耦，建立基于电网 电压定向矢量控制的最大风能捕获系统模型。