基于PSCAD的异步风力发电机最优转速跟踪

新能源发电 一 基于尸 的异步风力发电机最优转速跟踪 朱卫平 , 王秀丽 西安交通大学电气工程学院 , 陕西 , 西安 摘要 为了使鼠笼式异步风力发电机实现最大风能捕获 , 根据风轮机的特性提出了风机最优转速追踪的控制策略 在鼠 笼式异步电机数学模型的基础上 , 采用转子磁链定向的矢量控制技术 , 建立鼠笼式异步风力发电系统的最优转速跟踪模型 , 并基于 平台构建系统的仿真模型 。 仿真的结果证明了该方法的合理性 、 有效性 。 关键词 矢量控制 交交变频 异步电机 弓言 风能是清洁的可再生能源 , 是人类能源的理想来源 。 但 风能是一种能量密度低 , 具有随机性 、 不稳定性的能源 , 风 速的变化会引起风力机转速的变化。风力机在不同风速下有 一个最佳运行转速 , 此时的风能捕获效率最高。 传统的恒速 发电方式运行在固定的同步转速上 , 当风速变化时风力机就 会偏离最佳运行转速 , 导致风能捕获效率的下降。 采用变速 发电方式就可以使风力机始终运行的最佳转速上 , 实现最 大风能捕获 。采用变速发电要比恒速发电方式下的风能捕获 效率高出 。 左右 。 目前 , 国内外对双馈机 , 和永磁直驱同步电机 的变速 发电方式做了很多的研究 , 对鼠笼式异步发电机的研究主要 集中在恒速发电方式 。 本文使用鼠笼型异步发电机 , 通过 定子绕组与电网之间的交一交变频器 把频率变化的电能转 换为与电网频率相同的电能 , 来实现变速发电。 为此 , 本文先在分析风机捕获风能特性的基础上 , 提出 实现最大风能捕获得控制策略。然后根据异步电机的数学模 型 , 以转子磁链定向的矢量控制【 技术应用于异步发电机 的控制 , 使异步风力发电机实现最大风能捕获 。 最后 , 通过 对风电系统完整的建模仿真来验证本文策略的正确性 。 风速的模型 为了能够精确描述风速随机性和间歇性的特点 , 通常用 四种成分的风速来模拟 基本风吟 、 阵风 、 渐变风 和 随机风 阴 。 基本风 可以由风电场测风所得的威布尔例 分布参数近 似确定 阵风 描述风速突然变化的特性一般用阵风来示 。 “ 。 二 “ 阮 ‘坚兀才 “ 之 ‘ 式中咋 、 几 、 几 、 姗伪阵风风速 而 、 周期 、 启动时间 和最大值 。 渐变风 对风速的渐变特性可以用渐变风成份来模拟 。 石 石 ‘ 几 几 二 几 八 之几 十介 ︺公以︸ 犷旧 咬 一一 肠呷 【一 ‘ , 一 , 式中 、 、 石 、 场 、 服 分别为渐变风速 “ 、 最大值 耐 、 起始时间 、 保持时间 和终止时间 。 随机风 风速变化的随机特性可用随机噪声风速成份来表示 。 二 艺【 僻 △叫 , , 一喜 · △。 吸 舜 产 叫 , 诸 , , 、 , 、名 摊 宁 气 哟 产沁 、 , · 「‘ ·资」 “ , 式中 为基本风速 分 , 、 为威布尔分布的尺度参数 和形状参数 , 为伽马函数 。 当考虑秒级时间段的计算时 , 基本风速可视为常数 。 式中妈为 。一 万 之间均匀分布的随机变量 , 为地表粗 糙系数 , 一般取 仪阵 , 为扰动范围 , 产为相对高度 的平均风速 耐 , 衅 为风速随机分童分布谱密度 , 通过对功率谱密度函数进行积分即可得到短期的 风速数据 。 综合上述四种风速成份 , 模拟实际作用在风力机上的风 速为 场 二 十 冷 风力机的特性 基金项 目 国家自然科学基金 ’ 资助项目 风力机是把风的动能转换成机械能的机械设备 。按照贝 兹理论 , 风力机从风中吸收的功率 为 一 中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十四届学术年会论文集 合、。 , ‘ , 式中 为空气密度 , 为风速 为风力机扫掠面积 马 为风力机的功率系数 , 是叶尖速比兄和桨距角刀的函数 。 、 写 , 、是风机转速 , 是风机半径 。 由上式可见 , 在风速给定的情况下 , 风轮获得的功率取 决于功率系数 。 如果在任何风速下 , 风机都能在外 点运 行 , 就能实现风能的最大捕获 。 根据图 , 在任何风速下 , 只 要使得风轮的叶尖速比兄 编 , 就可维持风力机在外 下运行 。 因此 , 在风速变化时 , 只要调节风轮转速气 , 使 其满足最优转速 气 蝎 , 编 , 就可获得最佳的功率 系数。 据此 , 提出本文实现最大风能捕获的控制策略 最优 转速跟踪 —风轮机的转速跟踪最优转速蝎 , 。 异步发电 机的轴和风力机的轴通过齿轮箱连接 , 齿轮比为 , 件 气 , 件 是异步发电机转子转速 。 因此 , 控制件 和 控制气是等效的。 材 材 细材 二 一 细 , 半 、一令 ·熟 ‘ ‘。· , 、一 ,会、 ,遥“ 尹‘ “一呜行 “ 一 鲁 鲡 呜鲡 ·‘ 兰尝丛 几 一分 。 今誉行、 可把 改写为 守 。 · 、一 ,鲁卜 , 普〕。 。一“一鲁。 , 普、 式中 。 一左 , 丘 , 兀 互 乌 翻 , 细了 是 。 落一花一言一萄花厂澎瓜 孟 图 典型风力机的饰 一 兄曲线 异步发电机的最优转速跟踪 三相交流异步电机是一个高阶、 非线性 、 强藕合的多变 量系统 。 为了便于分析 , 假定 三相绕组对称 , 忽略空间谐波 , 磁势沿气隙圆周按正弦 分布 忽略磁饱和 , 各绕组的自感和互感都是线性的 忽略铁损 , 不计涡流和磁滞损耗 不考虑频率和温度变化对绕组的影响。 则三相异步电机定子电压在 , 系统下可表示为 电压补偿分量 , 是为了消除定子电流的交叉藕合项 是 微分算子 。 , 。汀是和再 , 叭 具有一阶微分关系的 电压分量 。 当 娇 时 , 是只和几 具有一阶微 分关系的电压分量 。 以上就是从异步电机数学模型推导出的基于转子磁链 定向的矢量控制方程式 。 调速的关键是转矩控制 。 由式 可知 , 调节勒 就可以转矩控制 , 从而实现对转速的控制 。 根据式 一 , 可设计出变速发电机最优转速跟踪的矢量 控制原理图 。 洲︸一 ︸︸‘卜,肠舀‘占甘︸曲 心 。 ,,,,, 异步步 风风风风风风风风风风风力力 洲万灭万 发电电 机机机机机机机机机机机机机机望望望望望望望 磁磁链计算算 转转矩计算算 图 转子磁链定向的矢量控制原理图 材 俪 甲材 一 甲 吸 行一 甲 甲“ 对 俪 甲 分 甲 份 一件 甲 场 编俪 甲 行 气分 甲 甲 场 编俪 甲 吞介 编叭 把 代人 , 可得 如图 所示 。系统采用双闭环结构 , 磁链调节环 连班尺 和转速调节环 , 转矩调节环 是转速环的 内环 。 八犷尺 比较转子磁通的给定值诃与实际值娇 , 将差 值进行 调节 , 输出是 寿 比较转子转速的给定 值嵘与实际值件 , 将差值进行 调节 , 输出电磁转矩参 考值噶 比较猫与电磁转矩实际值几 , 将差值进 行 调节 , 输出 拼。 几 , 衅 经过坐标变换为 二 , 呱 , 新能源发电 一 优 , 并作为指令电压来控制电压型交一交变频器输出到异 步机端的电压 。 梦尺 , , 的内部结构图如下所 示 需要的模块 。 表 风速数据 风的类型 基本风 阵风 渐变风 起始时间 。 ·‘一‘ 一普 ,心 表面粗糙度 《 , 扰动 范围以刃爪 巧一 一 图 磁链调节环 鳖圣』 风速仿真 , 畅火竺华鱼 今 图 转矩调节环 转转矩环环 闭闭环传函函 去去去 图 实际风速 和风轮机捕获的风速 图 转速调节环 由于风力机有较大的转动惯量 , 对随机风这种高频率 、 低幅值变化的风能吸收不明显 。 为了实现上述矢量控制 , 首先必须要确定转子磁链的 大小以及转子磁链角 。 文中采用了定子电压法估计转子磁 链 。 根据从定子侧实测的电压和电流 , 可推导得 、 刀坐 标系中的下列方程 除勺沁 一 一 。 , 会【体 , 一 ‘ 一叽 , 图 电机运行过程中转子实际磁通 和 转子磁通设定伯山以一 再经过直角 极坐标变换后 , 可得到转子磁链的幅值 件 和角度 。 仿真结果分析与总结 鼠笼 式 异 步 发 电 机 参 数 额 定 线 电压 有 效 值 , 额定角频 率 山 。 转动惯量 二 。 定 子 电 阻 几二 · , 专 子 电 阻 , 定子漏抗 , 转子漏抗 二 “ , 激磁电抗编二 。 风 机 参 数 风 机 半 径 , 空 气 密 度 坛 ” , 风能利用系数弓 二 。 仿真平台是 。 它是由加拿大的马尼托 巴电力局设计的 , 是世界领先的电力系统仿真软件 , 用于 电力系统地分析和相关的研究 。 这个仿真软件提供了一个 完全模块化 , 互动的和形象化的通用电力仿真环境 , 可以 利用它里面自带的仿真模块 , 也可以通过编译器自行设计 从图中可以看出 , 转子磁通在电机运行过程中保持在设 定值附近 , 这样 , 就确保了衡 只和几 具有一阶微分关系 , 通过 就可实现对转矩进行解祸控制 , 进而有效的控制 转速 。 这从图 种可以看出。 当风速大范围变化时 , 异步电 机转子转速 对最优转速 的跟踪具有动态响应 快 、 跟随性能好的特点 , 最大误差 。 图 转速买际值 , 最优值 和转速误差 中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十四届学术年会论文集 图 是异步发电机发出的有功功率 和风力机从风中捕 获的最大功率 , 围绕着 波动 。 由于文中使用的是由 晶闸管组成的交交变频器 , 谐波比较大 , 所以波动的幅度比 较大 。 总结 本文在分析风轮机特性和异步机数学模型的基础上 , 提 出了以风轮机转速实时跟踪最优转速的策略 , 使风轮机在各 种风速下都运行在最佳功率点上 , 同时也使异步风力发电机 的有功输出达到最大 。本文将基于转子磁链定向的矢量控制 技术应用在对异步发电机的控制上 , 使得对异步机转速的控 制快速 、 有效 。 通过计算机建模与仿真验证了文中所提出控 制策略的正确性 、 有效性 。 参考文献 叶杭冶风力发电机组的控制技术附 北京 机械工业出 版社 , 】拓 , 耿华 ,杨耕 ,马小亮并网型风力发电机组的控制技术综述 电力电子技术 , 拓 ,侧 贺益康变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制 电 力系统自动化 , , 一 】 , 朗 扛盆 侧笼 团 正 , , 一 【 , , 卜 一 小 , , 压 马小亮 大功率交一交变频调速及矢量控制技术四 北 京 机械工业出版社 , 刀 , 加 扭由 正 , , 李永东交流电机数字控制系统【 」北京 机械工业出版 社 , 陈坚 交流电机数学模型及调速系统 ,北京 国防工业 出版社 , 林良真 ,叶林 电磁暂态分析软件包 尼 团 电网技术 , 洲 一 作者介绍 朱卫平 一 男 , 江苏常熟人 , 博士研究生 , 主要研 究方向为分频风力发电。 为 王秀丽 一 女 , 教授 , 博士生导师 , 从事电力系统 规划 、 电力市场及风力发电方面的教学与研究工作 。