風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計-最大功率點跟蹤控制

壁臓工獰院課程設(shè)計說明書風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計—最大功率點跟蹤控制專業(yè)新能源科學與工程學生姓名 喻綢絹班級學號指導教師完成日期能源1211210604122薛迎成2015年12月14日目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"控制功能設(shè)計要求 1\o"CurrentDocument"任務 1\o"CurrentDocument"設(shè)計 3介紹對象（風力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤控制技術(shù)研究）3\o"CurrentDocument"控制系統(tǒng)方案 3\o"CurrentDocument"2.2.1風力機最大功率點跟蹤原理 3\o"CurrentDocument"2.2.2風力機發(fā)電系統(tǒng) 6\o"CurrentDocument"2.2.3風速變化時的系統(tǒng)跟蹤過程 11\o"CurrentDocument"硬件設(shè)計 13\o"CurrentDocument"軟件設(shè)計 16\o"CurrentDocument"仿真或調(diào)試 17參考文獻 19資料.控制功能設(shè)計要求1.1任務能源與環(huán)境是當今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題而傳統(tǒng)能源已被過度消耗,因此,可再生能源的開發(fā)利用越來越受到重視和關(guān)注,其中風能具有分布廣、儲量大、利用方便、無污染等優(yōu)點是最具大規(guī)模開發(fā)利用前景的新能源之一。目前,變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于實際風機中,在低于額定風速的情況下根據(jù)風速變化的情況調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速,使其運行于最優(yōu)功率點,從而捕獲最大風能;在高于額定風速時,通過對槳距角的調(diào)節(jié),使風機以額定功率輸出。常用最大功率捕獲方法主要有功率反饋法、模糊控制法、混合控制法等。為了充分利用風能,提高風電機組的發(fā)電總量,本文分析風機特性及最大功率點跟蹤(maximumpowerpointtrackingMPPT)工作原理。眾多的MPPT實現(xiàn)方法各有千秋,對于不同的應用場所各有所長，對于多種方案，需要進行大量細致的實驗工作和數(shù)據(jù)分析。風能是一種具有隨機性、不穩(wěn)定性特征的能源，風能的獲取不僅與風力發(fā)電機的機械特性有關(guān)，還與其采用的控制方法有關(guān)。在某一風機轉(zhuǎn)速情況下，風速越大時風力機的輸出功率越大，而對某一風速而言，總有一最大功率點存在。只有當風力發(fā)電機工作在最佳葉尖速比時，才能輸出最大功率。好的控制方法可使風輪的轉(zhuǎn)速迅速跟蹤風速變化，使風力發(fā)電機始終保持在最佳葉尖速比上運行，從而最大限度地獲得風能。要保證最大限度地將捕獲到的風能轉(zhuǎn)化為電能，目前一般采用最大功率點追蹤控制(MPPT)控制策略。最大功率點跟蹤(MPPT)是在可變風速條件下提高風力機能量轉(zhuǎn)換效率的有效方法。變速風電系統(tǒng)目前一般采用最大功率點追蹤(MaximumPowerPointTracking,MPPT)的控制策略。設(shè)計2.1介紹對象（風力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤控制技術(shù)研究）雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤通常基于實驗測定的最佳風速．功率一轉(zhuǎn)速曲線，但在長期運行中系統(tǒng)參數(shù)的變化會使實際最大功率點偏離原曲線，影響最大功率跟蹤效果。在分析風力機特性、雙饋風力發(fā)電機數(shù)學模型及功率關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出了一種以向電網(wǎng)輸出電能最大為目標、不依賴最佳風速．功率．轉(zhuǎn)速曲線的最大功率點跟蹤策略，實現(xiàn)了定子輸出有功、無功解耦控制。仿真和實驗證明，基于該方法，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)在風速變化過程中能自動尋找并跟隨最大功率點，且控制相對簡單，運行可靠，有較高的實用價值。2.2控制系統(tǒng)方案2.2.1風力機最大功率點跟蹤原理根據(jù)貝茨理論，風力機從風中捕獲的功率為其中P根據(jù)貝茨理論，風力機從風中捕獲的功率為其中P表示空氣密度，B表示槳距角，「“..陽表示風力機的風能利用系數(shù)，R是風輪的半徑，v表示風速，入表示葉尖速比，3為風力機的角頻率（rad/s）。風能利用系數(shù)與葉尖速比之間的關(guān)系如圖2-1所示?！残?>.S&斗〔小(>.S&斗(>.3(1.2圖2-1由上圖可見，風能利用系數(shù)f"一小隨著葉尖速比入的變化而變化。當人-時，d」「即為風能利用系數(shù)的最大值。而葉尖速比，在風速變化時，相應地調(diào)節(jié)風輪的轉(zhuǎn)速就可以將葉尖速比維持在處，此時風能利用系數(shù)為最大值「，風力機對風能的捕獲量最大，即運行在最大功率點上。在不同的風速下，風力機的輸出功率與風輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如圖2-2所示，其中，P表示風力機的輸出功率，3表示風輪的轉(zhuǎn)速，31、32、33分別為風力機在風速為u1、u2、u3時相應于最大輸出功率P1、P2、P3的風輪轉(zhuǎn)速。由圖2-4可以看出，在風速一定的情況下，輸出功率隨著風輪轉(zhuǎn)速的變化而變化，其中存在著一個與最大功率點相對應的葉尖速比乂，此時的風能利用系數(shù)為最大值l。在風速發(fā)生變化時，風力機最大功率點所對應的風輪轉(zhuǎn)速也不同。把不同風速下的風力機輸出最大功率點相連，將得到一條曲線即為風力機的最大功率曲線。為了提高風力機的效率，在風速發(fā)生改變時，就必須對風力機實行變速控制，使其始終運行在最大功率曲線上。在風速變化時，通過調(diào)節(jié)風力機的轉(zhuǎn)速，將葉尖速比維持在」處，以確保風力機運行在最大功率曲線上,即為對風力機最大功率點的跟蹤控制原理。圖2-2風力機輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖2-3為風速變化時，變速風力機對最大功率點的跟蹤過程。在風速為v1時，風力機運行于A點，為了追蹤最大功率點B,需要增加風力機風輪的轉(zhuǎn)速3。圖2-3風力機工作點的變化當3=31時，風力機運行于B點，AfB的變化過程即為變速風力機在風速v1下,對最大功率點B的追蹤過程。當風速從v1增加到v3時，風力機的運行狀態(tài)將從B點跳變到C點，同樣為追蹤該風速下的風力機的最大功率點，需要增加風力機轉(zhuǎn)速3，當3=33時，風力機運行于對應風速v3下的最大功率點D點，CfD的變化過程即為變速風力機在風速v3下,對最大功率點D的追蹤過程。同理，當風速從v3下降到v2時，風力機的運行狀態(tài)從D點跳變到E點，而E點位于風速為v2時的風力機的最大功率點F點的右側(cè)，所以應該減小風力機的轉(zhuǎn)速3直到3=32,此時風力機運行在最大功率點F點。EfF的變化過程是風力機在風速為v2時，對最大功率點的追蹤過程。以上即為變速風力機在風速發(fā)生變化時對最大功率點的跟蹤過程。2.2.2風力機發(fā)電系統(tǒng)雙饋風力發(fā)電機數(shù)學模型及能量關(guān)系同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的DFIG矢量方程雙饋電機在三相靜止ABC坐標系是一個多變量、強耦合、非線性高階系統(tǒng)。經(jīng)過三相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換后，同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的DFIG矢量模型如式（3）和式（4）所示。u二Ri+p屮+j3屮u二Ri+p屮+j3屮 （3）3sss1srrrr3r屮r二Lmis+Lrir 屮s二Lsis+Lmir （4）式中u,u——定轉(zhuǎn)子端電壓矢量；sri,i——定轉(zhuǎn)子繞組中的電流矢量；sr屮，屮——定轉(zhuǎn)子繞組中的磁鏈矢量；ss31 發(fā)電機的同步角速度；3轉(zhuǎn)差角速度；sL——定子互感；msL——定子漏感l(wèi)sL——轉(zhuǎn)子漏感。1r且Lm=1.5Lms；Ls=Lls+Lm；Lr=Llr+Lmo根據(jù)式（1）和式（2）可得矢量形式的等效電路如圖1所示。

圖1DFIG矢量形式的等效電路由于定子電壓受到電網(wǎng)鉗制，頻率、幅值、相位基本不變，因此可忽略定子磁鏈動態(tài)變化過程，將電壓方程式（4）降階為式（6）。U二Ri+j3屮 u二Ri+p屮+j3屮 （6）sss1srrrrsr式（6）可作為變速恒頻雙饋電機風力發(fā)電矢量控制依據(jù)，按照不同的定向方式可以得到不同的控制方案。DFIG運行時的功率分析雙饋電機由勵磁電源和電網(wǎng)兩邊向電機供電，由圖4和式（4）可得繞線式雙饋電機輸入總有功功率為P=P+Psr=Re[ui*Re[ui*]ss]+rr=R|i12+R|I12+Re[P屮i*+P屮i*]+Re[jw1屮i*+jw屮i*]Ssrr=P+P+Pcufessrrss1rr(8)

式中P——定子輸入功率；sP——轉(zhuǎn)子輸入功率；rP——定轉(zhuǎn)子總的銅耗；cuPf——磁場變化引起的功率變化;P——電磁功率。e而電磁功率P而電磁功率P由定子電磁功率eP和轉(zhuǎn)子電磁功率組成，將es其展開為dq軸形式，可得P=P+PeeserRe[jw1屮i*+jw屮i*]=ss1rr=wL(ii-ii)-wL(ii-ii)1mrdsqrqsdsmrdsqrqsd=nwL(ii-ii) (9prmrdsqrqsd將式(8)代入式(9)可得P=nqL(ii-ii) (10)mechprmrqsdrdsq系統(tǒng)次同步和超同步狀態(tài)下的功率流動關(guān)系如圖4所示。圖4雙饋電機的功率流動關(guān)系P:P:P=(1/(1-s)):(s/(1-s)):1esermech式中s——轉(zhuǎn)差率。由上式可見，在輸入機械功率保持恒定時，轉(zhuǎn)速的變化將直接改變定、轉(zhuǎn)子輸入的能量大小和流向。降低轉(zhuǎn)速，定子輸出功率一定增大，但同時轉(zhuǎn)子也吸收更多的功率；提升轉(zhuǎn)速，定子輸出能力下降，但是轉(zhuǎn)子吸收功率也相應減少甚至向電網(wǎng)饋送能量。因此雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點追蹤，就是要在一定風速下使定子與交流勵磁電源總輸出功率P+最大。P與P 關(guān)系如下：outoutmechP=P-P-P-P=P -R（i2+i2）—R，（i2+i2）outmechcuscurlossmechssdsqrrdrq（12）式中p——變頻器損耗；lossR'——變頻器損耗折合到轉(zhuǎn)子側(cè)后總的轉(zhuǎn)子等效電阻。r所以在某一風速下須跟蹤的最佳轉(zhuǎn)速點并不是風能最大點對應的轉(zhuǎn)速3,而是總輸出功率最大點對應的轉(zhuǎn)速3。且由于銅耗是電ab流的函數(shù)，因此總輸出功率的大小及其對應的最佳轉(zhuǎn)速不僅與有功電流有關(guān)而且與定子對電網(wǎng)進行無功補償時輸出無功功率的大小也有關(guān)系，但其單峰特性不變。輸入機械功率P扣除損耗后，可得mech到如圖5所示的輸出電功率P曲線，其中Q=0。outout由圖3和式（4）可得繞線式雙饋電機輸入無功功率關(guān)系Q+Q=lm（j3屮i*）+lm（j3屮i*）sr 1ss srr可化簡得sQ+Q=wL|i|2+wL|i|2

srssssrr=2wL|i||i|cos0 (13)smsr式中e——定、轉(zhuǎn)子矢量的夾角。圖5機械功率與DFIG輸出總功率關(guān)系圖由式(13)可見，定、轉(zhuǎn)子共同向電機提供無功功率，其大小與定、轉(zhuǎn)子電流及電機電感量有關(guān)。當定子單位功率因數(shù)發(fā)電時，電機所需的無功功率全部由轉(zhuǎn)子電源提供；當定子向電網(wǎng)補償容性無功時，轉(zhuǎn)子不但要提供電機的無功功率而且需要提供額外的無功給定子作為補償輸出。但是轉(zhuǎn)子變換器由于直流環(huán)節(jié)的存在，其電機側(cè)無功Q和網(wǎng)側(cè)的無功Q是rg解耦的，因此仍能保證輸送到電網(wǎng)總的無功功率為零或者作容性補償，其最大補償量由轉(zhuǎn)子勵磁電源容量決定。綜上所述，可以設(shè)計系統(tǒng)轉(zhuǎn)速外環(huán)和無功功率外環(huán)，再結(jié)合所設(shè)計的轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)控制器，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速與定子無功功率解耦控制，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。SAPWM*grid/幾+片嚴-PontSAPWM*grid/幾+片嚴-PontP』l|d叫仏XJCPWM變換器圖6雙饋電機定子電壓定向最大功率點跟蹤控制結(jié)構(gòu)框圖2.2.3風速變化時的系統(tǒng)跟蹤過程在實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、無功解耦控制的基礎(chǔ)上，再利用輸出總功率特性曲線的單峰特性，實現(xiàn)最大功率點跟蹤。具體算法如下：系統(tǒng)從進入追蹤狀態(tài)時刻的初始轉(zhuǎn)速開始工作，然后每個循環(huán)主動地增大或減小一個指令步長。如果本次輸出總功率大于上次功率，則繼續(xù)保持調(diào)節(jié)方向；否則就改變調(diào)節(jié)方向。以圖7為例說明風速變化時系統(tǒng)工作狀態(tài)。在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)柔性并網(wǎng)后，并不向電網(wǎng)輸出功率，所以起始工作點為A。然后切換到最大功率點跟蹤策略，轉(zhuǎn)速降低且功率增大，工作點自動調(diào)節(jié)到B附近。當風速突然減小時，由于風力機轉(zhuǎn)動慣量較大，轉(zhuǎn)速不會突變，工作點從B下降到C而功率突減。此時系統(tǒng)會主動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，自動尋找功率增大的方向，并最終逐漸運行到D點。反之，當風速增大時，工作點由D上升到E,轉(zhuǎn)速不變功率突增，然后系統(tǒng)再追蹤功率增大的方向，運行到F,穩(wěn)定在最大功率點附近。^oliLiI￡￡j|畋少3圖7在風速變化時的系統(tǒng)跟蹤過程硬件設(shè)計如圖所示的拓撲結(jié)構(gòu)中采用三相不控二極管整流橋，由于缺乏勵磁控制，永磁電機產(chǎn)生與電機轉(zhuǎn)軸速度成比例的電動勢。因此為了得到最佳的空氣動力學上的效率，風力機轉(zhuǎn)速要與風速成正比變化。而永磁電機和二極管整流器系統(tǒng)是完全不可控的，所以要通過Sepic變換器或者逆變器控制永磁電機發(fā)出的電能來實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制，以得到理想的運行速度。本節(jié)主要研究Sepic變換器的特性。圖8為雙重Sepic變換器的拓撲結(jié)構(gòu)電路圖。雙重Sepic變換器是由兩個結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同的單重Sepic變換器（見圖8）并聯(lián)組成。a）圖8變換器的拓撲結(jié)構(gòu)首先分析單重Sepic變換器輸入電壓U1和輸出電壓U0的關(guān)系：如圖8所示：在該電路中穩(wěn)態(tài)時電感L1和L2的電壓在一個周期內(nèi)都為零。在開關(guān)管V處于通態(tài)的時間ton,有：UA=0；UB二-UC1。在開關(guān)管V處于斷態(tài)的時間toff，有：UA二UC1+U0;UB=U0。因此，A點在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均電壓為：r■ '④「,'丨十-1又因為電感L1的電壓在一個周期內(nèi)為零,，所以十；；jB點在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均電壓為又因為電感L2的電壓在一個周期內(nèi)為零，所以a式中，ton為開關(guān)管處于通態(tài)的時間；toff為開關(guān)管處于斷態(tài)的時間；T為開關(guān)周期；a為導通占空比，變化范圍為［0,1］。由式3.6可知：在U0不變的條件下，調(diào)節(jié)PWM觸發(fā)脈沖的占空比a大小，就可以控制U1的大小，進而調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速以及風力機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風力機的變速運行。雙重Sepic變換器輸入電壓U1和輸出電壓U0的關(guān)系與單重Sepic變換器輸入電壓U1和輸出電壓U0的關(guān)系相同。雙重Sepic變換器是由兩個觸發(fā)脈沖互差1/2開關(guān)周期的單重Sepic變換器并聯(lián)組成，當兩個單重Sepic變換器的輸入電流相疊加后，電流值峰谷相錯而合成較平滑的輸入總電流，此電流的平均值是每個單重Sepic變換器電流平均值的2倍，電流諧波頻率也是單重Sepic變換器的2倍，然而電流脈動幅值卻降低到單重Sepic變換器的1/2倍。由此可見，變換器的雙重化可以有效地減小電流的諧波、降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動，從而可以在穩(wěn)定狀態(tài)時，減小風力機輸出功率的波動量（對此后面將給出仿真結(jié)果予以證實）；同時并聯(lián)的兩個Sepic變換器可互為備用，若其中的一個變換器發(fā)生故障，另一個可以繼續(xù)運行，使得整體的可靠性得以提高。4.軟件設(shè)計卄給"PiiltlWi川丈I卒p5.仿真或調(diào)試為了驗證控制策略的有效性，分別進行了仿真和實驗研究，使用參數(shù)為：雙饋電機額定功率P=3kW,定子連接方式丫接，電阻1.35Q,漏感9.04mH;轉(zhuǎn)子連接方式丫接，電阻1.45Q,漏感9.04mH;勵磁電感258.5mH;參數(shù)均折算到定子側(cè)。5.1仿真結(jié)果為驗證最大功率點追蹤性能,系統(tǒng)在1400r/min時并網(wǎng),然后進行最大功率點追蹤，最后穩(wěn)定在720r/min左右略有波動，總輸出功率達到最大1200W,如圖8a所示。為了考察在不同轉(zhuǎn)速下的有功功率分配情況，在并網(wǎng)后使電機在2000?500r/min范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)速，無功給定為零。圖8b上圖為轉(zhuǎn)速曲線，中間為總損耗曲線，下圖虛線為Pmech,實線為Pout?？梢钥闯鯬mech和Pout之間存在差值，即損耗功率，且呈二次曲線擴大。如果采用Pmech最大為追蹤目標，則系統(tǒng)對應速度為1000r/min,實際輸出功率為1550W，而直接以Pout最大為追蹤目標，系統(tǒng)對應速度為1100r/min，輸出功率為1670W。如果增大系統(tǒng)功率，則兩者差值也會相應增大。該仿真驗證了以總輸出功率Pout作為最大功率點跟蹤目標的正確性。圖8