变速恒频双馈风力发电最大功率跟踪控制

念丽波，刘雪杨，邓永生，孟召阳

(昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500)

Control of Maximum Power Point Tracking of VSCF Double-fed Wind Power Generation

NIAN Libo，LIU Xueyang，DENG Yongsheng，MENG Zhaoyang

(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)



变速恒频双馈风力发电最大功率跟踪控制

念丽波，刘雪杨，邓永生，孟召阳

(昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500)

Control of Maximum Power Point Tracking of VSCF Double-fed Wind Power Generation

NIAN Libo，LIU Xueyang，DENG Yongsheng，MENG Zhaoyang

(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China)

摘要：为了充分有效地利用风能，发出较高的电能质量，在分析了风力机最大风能捕获机理和双馈电机数学模型基础上，提出了一种基于定子电压定向下变速恒频双馈发电机最大功率跟踪矢量控制策略。为了说明控制策略的有效性，在风速阶跃变化下，利用Simulink建立了双馈发电系统仿真模型及定子电压定向矢量控制模型。仿真结果表明，该控制策略能够快速准确控制风力发电系统进行最大功率跟踪及变速恒频控制。

关键词：变速恒频；双馈风力发电；最大功率跟踪

0引言

近年来，风力发电技术发展迅速，但是如何充分有效地利用风能且使风力发电系统发出的电能质量较高至关重要。目前风力发电机组有很多种，变速恒频双馈风力发电机组因其变频器容量小，能量可双向流动，控制性能高，功率因数可调等特点逐步成为大型风电场的主要机型。因此，对变速恒频双馈风力发电系统进行最大功率跟踪控制具有重要的现实意义。

由于风能的随机性和不稳定性，使得风能的捕获不仅取决于风力发电系统的机械特性，还与采用的控制策略密切相关。目前风力发电最大功率跟踪主要方法有最优叶尖速比法、功率信号反馈法、爬山搜索法、三点比较法、占空比扰动法等[2-4]。功率信号反馈法因其结构简单，实用性强等优点，被广泛应用于实际工程中。由于常采用磁场定向的矢量控制进行最大功率的跟踪，而磁场定向需要磁链观察器进行磁链观察，因此增加了系统的复杂程度以及控制难度。

针对上述问题，分析了风力机最大风能捕获原理及双馈电机数学模型，在功率信号反馈基础上，提出了基于定子电压定向下的双闭环变速恒频双馈发电系统最大功率跟踪控制策略。在Simulink下进行了仿真实验研究。仿真实验结果验证了所提出的控制策略的准确性和有效性。

1风力机最大风能捕获原理

由空气动力学相关知识，可知风力机捕获的气动功率为：

(1)

Cp为风能利用系数；β为桨距角；λ为叶尖速比；R为风轮半径；ρ为空气密度；v为风速。

由式(1)可知，对于不同风速，要使风力机输出功率最大，要求Cp保持最大，即λ达到最优值(β为定值)；根据λ=ωR/v可知，要实现最大功率跟踪就要求风力机的转速随着不同的风速调整为最优转速。图1为不同风速(v1>v2>v3)下风力机的输出功率特性，Popt为各风速下最大输出功率。

风力机运行在最佳功率状态时的输出功率为：

(2)

最大功率跟踪过程如图1所示，当风速从v3减小到v2时，风力机机械功率突变为PB，由于转速不能突变，发电机仍然运行在A点，其电磁功率PA大于风力机的机械功率。功率差值就会使发电机转速从ωt3上升到ωt2，风力机输入机械功率沿着转速功率曲线上升，发电机电磁功率沿着最大功率追踪曲线上升，最终达到v2风速时的最佳功率PC值。

图1　风力机的功率特性

当风力机运行在最大功率时，忽略机械损耗的双馈电机功率关系为：

(3)

2控制策略

2.1　双馈电机数学模型

根据电机学的相关知识，可以得到双馈发电机在同步转速旋转坐标系d,q下的数学模型，可以用如式(4)~式(6)来描述。

(4)

(5)

(6)

usd、usq、urd、urq分别为定转子d和q轴电压；Rs、Rr为定转子等效电阻；isd、isq、ird、irq分别为d和q轴定转子电流；ψsd、ψsq、ψrd、ψrq分别为d和q轴定转子磁链；ωr为转子转速；ω为同步转速。Lls、Llr、Lm分别为定转子等效自感与互感。

2.2　转子侧控制策略

转子侧变流器的主要控制功能是为转子提供合适的励磁电流实现变速恒频，以满足电网电质量的要求；控制转子电流转矩分量控制双馈发电机的有功功率，实现最大功率的跟踪；为所并电网提供合适的无功功率以保证电网的电能质量及稳定运行。

2.2.1变速恒频控制策略

根据电机学知识，要有效进行机电能量转换，发电机定转子产生的旋转磁场必须相对静止，即

(7)

n1为定子磁场转速；n2为转子磁场相对转子转速；nr为转子转速；f1、f2分别为定转子电流频率；np为电机极对数。

通常定子电压频率与电网频率相同，即为50 Hz。由式(7)可知，对于不同转子转速，只要有效地控制转子电流频率即可保证定子输出频率为工频(50 Hz)，即实现变速恒频。

2.2.2最大功率跟踪控制策略

由上述分析可知，最大功率跟踪主要是控制发电机输出的有功功率来调节其电磁转矩，从而调节发电机的转速。因此，采用定子电压定向d轴的矢量变换控制技术，通过调节定转子的励磁分量，来实现功率解耦及最大功率跟踪控制。

当采用定子电压定向d轴时，

(8)

忽略定子侧电阻及机械损耗时，将式(8)代入双馈电机的数学模型方程组(4)～(6)可得：

(9)

(10)

(11)

可以看出，分别控制转子电流有功分量ird及无功分量irq，即可控制双馈电机有功功率及无功功率。因此，采用功率外环及转子电流内环双闭环结构，进行有功功率、无功功率解耦，实现最大功率点跟踪控制。

3仿真实验研究

为了验证控制策略的有效性，进行了仿真研究，使用参数为：三相两极双馈发电机，额定功率为10 kW，额定电压为380 V，转子转动惯量0.1 kg·m2，定、转子绕组都为星形连接，定、转子电阻及漏感分别为0.379 Ω、0.043 8 mH、0.314 Ω、0.044 9 mH，互感为0.042 7 mH,变流器开关频率为5.0 kHz，直流电压初始值为350 V，稳定值设在750 V。电机参数均折算到定子侧。 图2为最大功率跟踪波形。图2a为阶跃风速变化；图2b为阶跃风速变化下，发电机的转速随之变化，以追踪风力机的最大功率；图2c为阶跃风速下，发电机的输出有功功率及风力机功率比较，可以看出在风速变化的过程中，发电机发出的功率能够快速、稳定、准确地跟踪上风力机的输出功率，只是由于忽略了各种损耗，在风速较大时存在一定误差，但是并不影响最大功率跟踪效果。图2d为风力机风能利用系数波形，可以看出在风速阶跃变化下，风力机的利用系数始终保持最大。

图2　最大功率跟踪波形

图3为变速恒频仿真波形。图3a、3d为发电机转速及转子电流随着风速变化波形，在0.1~0.37 s内，发电机转速为1 375 r/ min，亚同步状态，转子电流频率为5 Hz；在0.37~0.81 s内，发电机转速1 500 r/ min，同步状态，转子电流频率为0 Hz；在0.81~1.2 s内，发电机转速为1 750 r/ min，超同步状态，转子电流频率为-5 Hz。 图3b转速变化过程中定子与网侧的电压差值，可以看出差值几乎为0，即二者幅值基本上相等。图3c为定子电压的频率图，可以看出定子侧输出电压频率稳定在工频50 Hz左右实现变速恒频运行。

图3　变速恒频仿真波形

4结束语

分析了风力机捕获最大风能及双馈风力发电系统变速恒频原理，在功率信号反馈的基础上，提出了基于定子电压定向下的双馈发电系统最大功率跟踪及变速恒频控制策略,并对其进行仿真研究。仿真结果表明，在不同风速下，文中所提出的双馈风力发电系统控制策略均能有效满足最大风能追踪，变速恒频控制要求，具有较高的实用价值。

参考文献：

[1]王志华，李亚西，赵栋利，等.变速恒频风力发电机最大功率跟踪控制策略研究.可再生能源，2005, 120(2):16- 19.

[2]刘其辉，贺益康，赵仁德.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，2003, 27(20): 62-67.

[3]程启明，程尹曼，汪明媚，等.风力发电系统最大功率跟踪方法的综述.华东电力，2010,38(9)：1393- 1398.

[4]田宏，肖昌允，卫东.基于最优占空比的风力发电机MPPT方法研究.电源技术，2013,37(9): 1661-1671.

[5]Sleiman M, Kedjar B, Hamadi A, Modeling, control and simulation of DFIG for maximum power point tracking//IEEE Control Conference (ASCC), 2013 9th Asian,2013:1-6.

[6]Tariq Mohd, Iqbal Md Tauquir. Power quality improvement by using multi-pulse AC-DC converters for DC drives: Modeling, simulation and its digital implementation.Electrical Systems and Information Technology , 2014,3(1):255-265．

[7]李亚萍，张红超. 双馈风力发电机变流器并网试验方法研究. 电力系统保护与控制，2012，40(15)：122-126.

Abstract:To utilize the wind energy fully and effectively, improve electricity output quality, the mechanism of wind turbine capture maximum wind energy and the mathematical model of doubly fed generator are analyzed. On that basis, the controlling strategy of maximum power tracking under stator voltage oriented is derived. To illustrate the effectiveness of the control strategy, Simulink is used to build the model of maxi mum power tracking control under step wind speeds. Simulation results show that the control strategy can control the wind power generation system for maximum power point tracking and variable speed constant frequency quickly and accurately.

Key words:variable speed constant frequency; double-fed wind generation; maximum power point tracking

作者简介：念丽波(1989-)，男，云南曲靖人，硕士研究生，研究方向为微网控制；刘雪杨(1990-)，男，云南文山人，硕士研究生，研究方向为微网控制；邓永生(1990-)，男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为微网控制。

收稿日期：2015-09-02

文章编号：1001-2257(2015)12-0053-04

文献标识码：A

中图分类号：TM461