李軍軍，易吉良，肖強輝

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

雙饋風電系統(tǒng)全風速下的功率控制策略

李軍軍，易吉良，肖強輝

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

為了實現(xiàn)全風速條件下的功率調(diào)節(jié)，對雙饋風力發(fā)電機組的功率控制策略進行了研究。額定風速以下采用基于葉尖速比的最大功率追蹤控制，實現(xiàn)最大風能捕獲；額定風速以上采用變槳距角控制，輸出功率維持恒定，保證整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行。利用MATLAB建模并進行了仿真，仿真結(jié)果表明：在較大的風速變化區(qū)間內(nèi)，雙饋風電機組能實現(xiàn)對輸出功率的有效調(diào)節(jié)，兩種功率控制策略切換時系統(tǒng)能保持較好的穩(wěn)定性。

雙饋風力發(fā)電；最大功率跟蹤；變槳距角控制；穩(wěn)定性

0 引言

風能是一種綠色環(huán)保的新型能源，近些年已被大規(guī)模開發(fā)與利用，使得風力發(fā)電已成為極具商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。雙饋風電機組通過控制變換器實施交流勵磁，可改變轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值和相位，實現(xiàn)變速恒頻運行。雙饋電機轉(zhuǎn)子僅提供轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)子相連的變換器容量為機組的25%～30%，變換器投資低，非常具有市場優(yōu)勢。

為了提高發(fā)電效率，在風速較小的情況下，風電機組通常采用最大功率追蹤控制，這方面的研究文獻[1-6]較多；但對全風速下的功率控制策略的研究較少。本文對雙饋型風電機組在全風速下的功率控制策略進行研究，在較大的風速變化區(qū)間內(nèi)，能實現(xiàn)輸出功率的有效調(diào)節(jié)與控制。

1 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，主要由雙饋風電機組、雙PWM變換器以及電網(wǎng)等部分組成。其中：Ps, Qs, Is表示雙饋電機定子輸出的有功、無功功率和電流；Pr, Qr, Ir表示雙饋電機轉(zhuǎn)子輸出的有功、無功功率和電流；Pg, Qg, Ig表示雙饋電機網(wǎng)側(cè)變換器輸出的有功、無功功率和電流；P0, Q0, I0表示機組向電網(wǎng)輸出的有功、無功功率和電流；Ur表示轉(zhuǎn)子側(cè)電壓；Ug表示網(wǎng)側(cè)變換器電壓；Us表示機組與電網(wǎng)并網(wǎng)點電壓；U表示電網(wǎng)電壓；Udc表示直流電壓；r為電機轉(zhuǎn)子角速度；L0，R0表示網(wǎng)側(cè)變換器濾波電感、電阻；Lt表示線路、變壓器折算后電感。

圖1 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1Doubly-fed wind power generation system

風輪機輸出的機械功率為

R為葉片半徑；

vm為作用于葉片的風速；

Cp為風能利用系數(shù)，它是和槳距角的非線性函數(shù)，

其中c1～c7為常數(shù)。

圖2 風能利用系數(shù)Cp與的關(guān)系Fig.2Relationship between wind energy coefficient Cpand

2 機組的功率控制策略

2.1 全風速下的功率控制

風輪機輸出功率與風速關(guān)系如圖3所示。當4≤vm＜12時，=0°，按最佳功率控制，輸出功率隨風速的增大而增大[7-9]；當12≤vm≤25時，變槳距恒功率控制，濾除一部分多余的風能，風輪機輸出功率保持恒定；低于切入風速4 m/s，風輪機不啟動；高于切出風速25 m/s，風輪機停機，以保證整個機組運行的安全性。

圖3 不同風速下風輪機輸出的機械功率Fig.3The output mechanic power of wind turbine at different wind speed

圖4 葉尖速比控制Fig.4Tip speed ratio control

2.2 槳距角控制

槳距角控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示[10]。圖中：Pmax為風輪機最大輸出機械功率；max和min表示槳距角的最大值和最小值；ref為PI調(diào)節(jié)器的輸出值；Pref為風電功率給定值；P*為經(jīng)條件判定后的風電功率反饋值；為槳距角機構(gòu)時間常數(shù)。

圖5 槳距角控制系統(tǒng)Fig.5Pitch angle control system

圖 6Cp與和的關(guān)系Fig.6Relationship betweenCpand ,

采用增量式PI算法，可節(jié)省存儲空間和計算量，以槳距角表示為

式中：kp為比例系數(shù)；Tp為積分時間常數(shù)；T為采樣周期；e(k)，e(k-1)表示第k次和第k-1次的偏差。初始迭代值設為：e(0)=0，e(1)=1，(0)=0。

為加快迭代過程，引入加速因子a，式（5）變?yōu)?/p>

a值過大將使曲線位于Cp,con直線下方而無交點，迭代過程將進入死循環(huán)。通過分析，取a=1.02較合適，可保證較快的收斂速度，避免出現(xiàn)曲線位于Cp,con直線下方而無交點的情況。表1給出了按上述方法計算的額定風速以上時,和t的理論值。由表1可以看出，在額定風速12 m/s以上時，采用變槳距角控制，隨槳距角的增大，風能利用系數(shù)Cp逐漸變小，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速t變化非常小。

表1 風能利用系數(shù)Cp與葉尖速比和槳距角的關(guān)系Table 1Relationship between wind energy coefficientCpand tip speed ratio and pitch angle

表1 風能利用系數(shù)Cp與葉尖速比和槳距角的關(guān)系Table 1Relationship between wind energy coefficientCpand tip speed ratio and pitch angle

?

3 雙饋機組控制結(jié)構(gòu)

3.1 雙饋電機模型

雙饋電機在d-q坐標系下定、轉(zhuǎn)子電壓方程為

式（9）～（10）中，Lss=Ls+Lm，Lrr=Lr+Lm，其中Ls，Lr為定、轉(zhuǎn)子漏感，Lm為勵磁電感。

為了便于分析，設定子磁鏈與d軸方向一致，忽略定子電阻影響，則如圖7所示，s為d軸與A軸間的夾角。

圖7 定子磁鏈示意圖Fig.7Stator flux schematic

定、轉(zhuǎn)子電壓方程可化簡為

式中ims表示定子廣義勵磁電流[11]。

電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

式中p為極對數(shù)。

定子輸出的有功功率Ps和無功功率Qs為

當ims恒定時，定子輸出有功功率Ps與irq成正比，而ird決定定子輸出的無功功率，因此分別控制irq和ird可實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦。

轉(zhuǎn)子側(cè)控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)：功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，如圖8所示。

在額定風速以下，功率外環(huán)的功率參考值按最佳功率追蹤控制確定；在額定風速以上，功率參考值則為常數(shù)。圖8中的Δud和Δuq為前饋補償項，用于消除式（11）中的交叉耦合項，解耦后轉(zhuǎn)子方程又可寫為

補償項為

圖8 雙饋風力發(fā)電控制系統(tǒng)Fig.8Doubly-fed wind power generation control system

3.2 網(wǎng)側(cè)模型

對于網(wǎng)側(cè)，當把同步旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸取為與電網(wǎng)A相電壓向量重合時，網(wǎng)側(cè)變換器輸出的有功功率和無功功率分別為

式中igd和igq分別表示網(wǎng)側(cè)變換器輸出的有功電流和無功電流，由此可分別控制網(wǎng)側(cè)變換器輸出的有功功率和無功功率。

從圖1中網(wǎng)側(cè)變換器電路可知，網(wǎng)側(cè)滿足：

Ugd和Ugq分別表示網(wǎng)側(cè)變換器輸出電壓的d, q分量。

從式（18）可知igd和igq存在交叉耦合，也可引入前饋補償項Δu′d和Δu′q，故式（18）可寫為

網(wǎng)側(cè)補償項為

網(wǎng)側(cè)變換器的控制系統(tǒng)也采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)：直流電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，如圖8所示。直流電壓外環(huán)起穩(wěn)定直流電壓的作用，并為電流內(nèi)環(huán)提供參考電流；電流內(nèi)環(huán)對igd和igq進行控制，以分別控制網(wǎng)側(cè)變換器輸出的有功功率和無功功率。

4 仿真

建立仿真模型對理論研究進一步分析和驗證。

當風速在0～26 m/s變化時（如圖9所示），觀察系統(tǒng)的運行情況。

圖9 風速的變化Fig.9Wind speed variation

當t約為0.5 s時，風速增至切入風速，風輪機啟動。在最佳功率追蹤控制策略下，風輪機輸出機械功率（如圖10所示）、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（如圖11所示）、電磁轉(zhuǎn)矩（如圖12所示），均隨風速增大而增加；當風速在額定風速以上時，上述變量基本維持不變。額定風速以下時，保持opt=6.235（如圖13所示），Cp保持Cp,max=0.438 2（如圖14所示），能實現(xiàn)最大風能捕獲。

圖10 風輪機輸出機械功率變化Fig.10The output mechanical power variation of wind turbine

圖11 雙饋電機轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速變化Fig.11DFIG rotor angular speed variation

圖12 雙饋電機電磁轉(zhuǎn)矩變化Fig.12DFIG electromagnetic torque variation

圖13 額定風速以下時葉尖速比的變化Fig.13Tip speed ratio variation under rated wind speed

圖14 額定風速以下時風能利用系數(shù)的變化Fig.14Wind energy coefficient variation under rated wind speed

當t=2.2 s時，風速增至額定風速，進行變槳距控制，對,及Cp調(diào)節(jié)，使輸出功率維持恒定。,及Cp的變化分別如圖15～17所示，和的變化與表1中理論計算的結(jié)果值非常接近。

圖15 額定風速以上時葉尖速比的變化Fig.15Tip speed ratio variation above rated wind speed

圖16 額定風速以上時槳距角的變化Fig.16Pitch angle variation above rated wind speed

圖17 額定風速以上時風能利用系數(shù)的變化Fig.17Wind energy coefficient variation above rated wind speed

風速變化的整個過程中，電機定、轉(zhuǎn)子電流變化如圖18～19所示，風電系統(tǒng)及機組定子輸出功率變化如圖20～21所示。由圖18～21可以看出，額定風速以下，定轉(zhuǎn)子電流、機組及定子輸出功率隨風速增加，額定風速以上電流及輸出功率基本保持不變。

圖18 雙饋電機定子電流d, q分量變化Fig.18DFIG stator current d and q components variation

圖19 雙饋電機轉(zhuǎn)子電流d, q分量變化Fig.19DFIG rotor current d and q components variation

圖20 雙饋機組系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送功率變化Fig.20DIFG system transmission power variation to grid

圖21 雙饋電機定子輸出的功率變化Fig.21DFIG stator output power variation

當風速增至切除風速時（t=5 s），機組停機，所有輸出為0。整個運行期間，直流電壓保持在1 200 V基本不變，如圖22所示。由圖10～12和20～22可以看出，2種控制策略的切換對系統(tǒng)運行影響較小，在全風速變化區(qū)間內(nèi)，雙饋機組均能保持穩(wěn)定地運行。

圖22 直流電壓變化Fig.22Direct voltage variation

5 結(jié)語

理論分析和時域仿真結(jié)果表明：在額定風速以下，采用最大功率追蹤控制，可實現(xiàn)最大風能捕獲；在額定風速以上，采用變槳距角控制，功率輸出保持恒定。2種功率控制策略能保證系統(tǒng)在較大的風速變化范圍內(nèi)實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)和控制，系統(tǒng)運行具有較好的穩(wěn)定性。

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（責任編輯：鄧光輝）

Power Control Schemes of Doubly-Fed Wind Power Generation System under Full Wind Speed Condition

Li Junjun，Yi Jiliang，Xiao Qianghui
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Power control methods of doubly-fed wind power generation sets were researched in order to realize power adjustment under full wind speed condition. Maximum power point tracking control based on tip speed ratio was adapted under the rated wind speed and maximum wind energy capture was realized; variable pitch angle control method was applied to system above the rated wind speed and output power was kept constant to ensure whole system safe and stable operation. Simulation by MATLAB shows that the double-fed induct generator sets achieved effective adjustment of output power in a large wind speed variation section, and the system keep good stability when the two power adjustment methods switched.

doubly-fed wind power generation；maximum power point tracking；variable pitch angle control；stability

TM614

A

1673-9833(2014)04-0046-07

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.011

2014-04-03

湖南省高等學校科學研究基金資助項目（12C0055），湖南省省市聯(lián)合自然科學基金資助項目（12JJ9042）

李軍軍（1976-），男，江西宜春人，湖南工業(yè)大學講師，博士，主要研究方向為風力發(fā)電及其穩(wěn)定性，E-mail：lijunjun8181972@sina.com