風力發電機組及其控制系統((編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 統（同步發電機） ? 發電機速度完全與電網解耦 ? 發電機轉矩由直流聯絡線控制 ? 通過去除阻尼繞組可以加速控制，減小不期望的低頻拍頻振蕩 ? 通過 PWM技術可改善諧波 ? 變流器容量至少等于發電機容量 65 變速發電系統（雙饋感應發電機） 實現發電機超同步和次同步工況 ? 控制轉子電流幅值和相位，發電機可運行于任何期望的功率因數 ? 變流器產生的頻率疊加于轉子旋轉頻率，總合成恒定，變速范圍由饋送到轉子的頻率決定，目前可達到 30% ? 變流器容量相對較小 ? 控制系統更為復雜 66 67 ? 永磁同步發電機（ PMSG） 特點： ? 結構簡單，運行可靠 ? 較高的功率質量比 ? 不存在勵磁損耗，電機效率提高 ? 永磁材料使得輸出電壓分散 ? 輸出電壓、功率因數難以控制 ? 永磁材料生產成本較高 68 控制系統研究 ? 明確控制系統 目標 、 功能 和相應的 控制策略 ? 各單元控制器（ 功率控制器 、 速度控制器 ）的理論設計 69 控制目標 ? 運行區域 區域一 區域二 區域三 區域四 70 控制目標 ?變化風速下的最大風能捕獲（區域二） ?以額定功率輸出（區域三） ?可靠的切入、切出（區域一、四） ?機械載荷及響應的優化 ?系統穩定性和電能質量 區域一 區域二 區域三 區域四 71 控制功能 ? 最大風能捕獲 ? 額定功率輸出 ? 制動控制 ? 最優機械效應 ? 電網穩定性及電能質量控制 72 控制策略 功率控制器 速度控制器 73 風力發電機組控制框圖 控制算法 矢量控制 74 3 風電系統的最大風能捕獲控制 風機從風中吸收的功率與功率系數和風速的立方成正比。槳距角 β一定時，功率系數 Cp與葉尖速比 λ呈拋物線關系，其凸點對應最大風能捕獲點，此處 λ稱為最佳葉尖速比。 最佳葉尖速比 75 風電系統的最大風能捕獲控制 當 λ固定為最佳葉尖速比時，功率系數又與槳距角呈拋物線關系，其凸點對應此條件下的最大風能捕獲點，此處 β稱為最優槳距角，通常在零度角附近。 思路：控制 β固定為最優槳距角；風速變化時，通過控制轉速和葉尖速比，直到系統運行在最大風能捕獲點。 76 最佳葉尖速比法 風機的葉尖速比 λ正比于風機轉速 Ωm，且反比于風速 v。假設最佳葉尖速比已知，并且風速可實時準確測得，則可以實時計算出當前風速下風機的最優轉速（對應最大功率輸出點）?？刂齐姶呸D矩，使得風機轉速趨于此最優轉速，可以實現系統的最大風能捕獲。該方法物理概念明確，實現簡單，但需要實時檢測風速 v和風機轉速 Ωm，而且還需要已知最優葉尖速比 λopt。以下缺點限制了該方法的應用： 77 (1)槳葉迎風面的風速難以準確測得，影響控制精度；而且該方法對風速變化比較敏感，導致輸入電網功率的波動較大； (2)最佳葉尖速比由風機廠家的實驗數據求得，而其會隨環境因素而變化，限制了該方法的控制精度。 針對風速測量精度的問題，可以設計微型電子的風速、風向傳感器等來改善風速測量精度； 其它措施：通過發電機輸出功率和風機轉速等信息結合已知的轉速 — 功率曲線，對迎風面的風速進行估計，再根據估計值進行最大風能捕獲控制，提高了控制精度。 78 最優轉矩法 風速一定，風電系統運行在 最大功率點 時發電機輸出的電磁轉矩稱為 最優轉矩 。若已知最優風機轉速 — 轉矩曲線，通過轉矩閉環控制，使得發電機電磁轉矩實時跟蹤此最優曲線，對應系統運行在最大風能捕獲點。該方法避免了風速的檢測，但需要風機轉速和發電機電磁轉矩的信息，同時還需已知最優轉矩曲線。 79 最優轉矩法 同樣，該方法也有以下缺點： (1)最佳轉矩曲線由風機廠家的實驗數據擬合而成，會隨環境因素而變化，限制了該方法的控制精度； (2)需已知發電機電磁轉矩值，若增加轉矩傳感器，將導致系統成本顯著增加；若由轉矩公式求得該信息，則該方法將會對電機參數有很強的依賴性。 80 電功率信號反饋法 功率信號反饋方法以直接控制發電機輸出有功功率為目標。 若不同風速下的最優風機轉速 — 功率曲線已知，通過發電機電磁轉矩直接控制其輸出有功功率跟蹤此曲線可實現最大風能捕獲。 該方法也無需測量風速，但需檢測風機轉速和發電機輸出功率，還需已知最優功率曲線。由于發電機輸出功率可以由其電流電壓值計算得到，因此此方法得到了廣泛的應用。為更準確的跟蹤最佳風能點，有研究采用飛輪等裝臵直接測量風力機所獲取的風能，通過調節風機轉速而更準確地實現最大風能捕獲。同樣，由于最優功率曲線易受環境變化的影響，該方法的控制精度受到了限制。 81 爬山搜索法 爬山搜索法不依賴于系統參數，給風機轉速人為地加入一個變化量，根據發電機輸出功率的變化確定風機轉速的控制增量，通過控制發電機電磁轉矩使得風機轉速趨于給定，反復執行上述搜索策略，直到風電系統運行在最大功率點；由于不同風速下，風機的轉速 — 功率曲線呈類拋物線關系，搜索法通過不斷改變風機轉速控制風電系統的運行點沿拋物線變化，直到其最優點，該過程形似爬山，因此稱為“爬山搜索法”。根據搜索步長的不同，該方法又有恒定步長法、變步長搜索法等。 82 爬山搜索法 ????????? llwt ttP ,0,0????????? llwt ttP ,0,0????????? llwt ttP ,0,0????????? llwt ttP ,0,083 ? 考慮風湍流的 MPPT控制結構框圖 84 盡管該方法不需要風機系統的參數，但是當風機慣性較大的時候，此方法卻很難適用。風力機的輸出機械功率一部分轉換為發電機的輸出電功率，一部分為系統損耗，包括軸上摩擦損耗和定轉子電損耗，還有一部分轉換為動能儲存在風機槳葉中。對于大慣性風機，改變風機轉速時，由于槳葉的緩沖作用，發電機輸出電功率的變化并不明顯，這些要素導致該方法每一步的搜索過程大大加長，在系統給定搜索時間的限制下，有時甚至無法搜索到最大風能捕獲點。 爬山搜索法 85 １）通過不斷在線存儲最大風能點信息以建立數據庫，并用于以后的尋優控制中，加快了最大風能追蹤的速度； ２）通過對神經網絡的離線訓練，實現了快速的最大風能捕獲控制。 ３）利用其它信息實現最大風能捕獲的方法。如在采用雙饋電機作為發電機的風電系統中，由于轉子側變頻裝臵的直流母線上的功率隨風機轉速的變化曲線與風機轉速 — 功率曲線相似， ４）通過控制電磁轉矩使得直流母線功率輸出最大，從而近似獲得了最大風能的轉換。 為解決上述問題，可將智能控制融合到搜索法中： 86 智能最大功率獲取算法 研究智能最大功率獲取算法的原理是“搜索、記憶、復用”。 首先，為了從風中獲取最大能量，系統必須找到最優運行點。 其次，要記錄這些運行點，因為當同樣狀況再次發生時，系統能快速到達該點，不需要算法重新計算，重新計算需要較長的時間。 第三，記錄的搜索結果的復用能改善系統響應，提升系統性能。 87 智能最大功率獲取算法原理框圖 88 ? 雙饋感應發電機的 數學模型 ? 雙饋感應發電機的 穩態分析和靜態穩定問題 ? 雙饋感應發電機的 勵磁控制 ? 雙饋感應發電機的 穩定性分析 4. 雙饋感應發電機勵磁控制 及其穩定性分析 89 ? 雙饋感應發電機相坐標系中的方程式 ? 同步旋轉軸系下雙饋感應發電機方程式 90 91 相坐標系中的方程式 定子： s s s sp??u R i ?r r r rp??u R i ?s s rsss r rrr()T??? ? ? ????? ? ? ?? ? ? ???LL iLL i??磁鏈方程： 轉子： r r rs r m r rr r r22c o s c o s ( ) c o s ( )3322c o s ( ) c o s c o s ( )3322c o s ( ) c o s ( ) c o s33rM??? ? ???? ? ???? ? ???????? ? ?????????L92 同步旋轉軸系下的方程式 22c o s c o s ( ) c o s ( )332 2 2s in s in ( ) s in ( )3 3 31 1 12 2 2??? ? ???? ? ???????? ? ? ? ? ???????C11c o s s in22 2 1c o s ( ) s in ( )3 3 22 2 1c o s ( ) s in ( )3 3 2?????????????????? ? ? ???? ? ???CPark變換： abc相變量變換到dqo軸系的變換矩陣 逆變換矩陣 93 逆變換矩陣 變換矩陣 22c o s c o s ( ) c o s ( )332 2 2s in s in ( ) s in ( )3 3 31 1 12 2 2??? ? ???? ? ???????? ? ? ? ? ???????C11c os sin22 2 2 1c os( ) sin( )3 3 3 22 2 1c os( ) sin( )33 2???????????????? ? ? ???? ? ???C正交變換 ： 94 Dq0坐標系下基本方程 d s s d s s d s d sq s s q s s q s q so s s o s o s o s0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0u R iu R i pu R i? ? ?? ? ????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?定子電壓： 轉子電壓： 磁鏈方程： d r r d r d r d rq r r q r q r q ro r r o r o r o r0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0ffu R iu R i pu R i? ? ?? ? ????? ? ?