本站小編為你精心準備了雙饋變速變槳風力發電研究參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《北京建筑大學學報》2016年第2期

摘要:

從系統控制的角度，針對風力發電機組變速變槳距雙饋異步發電機自動運行中的恒功率輸出等關鍵問題進行了控制對象特性分析和控制方案設計．結合西門子s7-1200PLC控制器和風力發電機仿真模型

構建了研究實驗平臺，并進行了系統的控制實驗與仿真．重點針對恒功率輸出問題的控制進行了多種控制方案的設計和實驗驗證，經過比較不同的控制方案后證明:基于前饋的協調控制方案效果較好．

關鍵詞:

風力發電;雙饋異步發電機;變速變槳;模擬控制

變速變槳距雙饋異步風力發電機DFIG在風力發電系統中的應用越來越廣泛［1］，目前已經成為風力發電機組的首選和發展方向．它具有諸多明顯優點:根據不同工況實時調整風機的風輪轉速和漿距角，機組在低風速時漿距角為零，風輪按照最佳葉尖速比運行，追蹤最佳風能利用系數，確保捕獲最大風能，并保持輸出電能的頻率不變;在高風速時對漿距角進行調節，從而改變發電機的輸出功率，最終可以使發電機輸出功率保持在額定功率附近．因此，變速恒頻雙饋風力發電機組，和基于雙饋式風力發電機組的變速、變槳距控制技術也已經成為近期風力發電領域的研究熱點［2－3］．根據雙饋式變速變槳風力機組的特點，國內外學者進行了大量深入的研究，提出了多種控制方案和控制算法，其中控制算法主要有PI(比例積分)控制、魯棒控制、變結構控制、自適應控制［4］、預測控制［5－6］、模糊控制、結構分散化控制［7－8］和逆系統控制等各種控制策略．這些方法均為變速變槳風力發電系統的優化控制提供了不同的思路和理論依據，但大多數方法的理論性強，導致控制器的運算量過大，而在實際控制系統中(例如PLC控制系統中)難以實現．為此，西門子公司開發了以變速變槳距雙饋異步風力發電機為被控對象的風力發電系統仿真軟件E-WT．本文在E-WT仿真軟件的基礎上，結合西門子s7-1200PLC控制器構建了研究實驗平臺，對變速變槳距雙饋異步風力發電機的運行控制進行了分析和研究，用多種控制方案進行了仿真實驗．分析和仿真實驗證明:基于前饋的協調控制方案對于雙饋式變速變槳距風力發電機組的恒功率輸出控制效果較好．

1仿真實驗平臺

被控對象為模擬風力發電系統E-WT，是基于WindowsXP操作系統的仿真軟件．與其相連的通訊網關PM-125將Profibus協議轉換為Modbus協議并通過USB\RS485與仿真軟件通訊，系統控制器選用西門子S7-1200PLC并掛載DP通訊模塊CM1243-5．上位機通過WINCC軟件監控系統的運行狀態．如圖1所示，PLC可控制模擬風力發電系統E-WT并由上位機監控．

2被控對象描述和控制要求

2.1E-WT設計參數

E-WindTurbine中變速變槳距雙饋異步風力機的關鍵設計參數如表1所示．對于變速變槳距雙饋異步風力發電機，并網運行時的控制系統必須具有以下功能:

1)根據風速的信號自動進入啟動狀態或從電網切出;

2)根據風速大小及輸出功率自動進行轉速和功率的控制:當風速低于額定風速時，系統能從風場中捕獲最大風能;當風速大于額定風速時，系統應該平穩地向電網輸出盡可能多的電能;

3)根據風向信號自動對風;

4)當發電機脫網時，能確保機組安全停機;

5)在風力發電機機組運行的過程中，能夠對風況、電網和機組的運行狀況實時進行監測和記錄，對出現的異常狀況能夠自行判斷并且采取相應的保護動作，能夠根據記錄下的數據，生成各種顯示圖表，以準確反映風力發電機組各項性能指標．

2.2具體控制要求針

對E-WT系統，恒功率輸出的具體控制要求為:當風速大于12m/s時，系統應盡可能快速地使發電功率穩定在300kW左右;當有劇烈的風速和風向擾動時，功率輸出不超出300kW±20kW;同時，發電機的轉速不得超過2300r/min，穩定后的轉速也要盡可能靠近額定轉速1550r/min．

3三種控制方案

針對圖2所示E-WT系統對象，為了達到恒功率輸出的目的，主要討論以下三種常規的控制方案．

3.1基于轉速反饋的PID控制

對發電機，由于存在:P=T×n9550(1)式中:P為發電機輸出功率;T為發電機電磁轉矩;n為發電機轉子轉速．式(1)只是理論上的P與T和n的關系，具體到目前的E-WT系統，可能會稍有偏差．為了獲得更準確的關系，經過多次試驗，獲得關系為:T=9574.944P/n(2)式(2)中P為發電機的理論輸出功率;T為發電機的電磁轉矩;n為發電機轉速．所以方案一通過固定T不變，選擇n為被控量，以E-WT的槳距角設定值λ為控制量，通過調節λ來穩定n，進而穩定功率P，選擇最常用的PID為控制算法［9］，PID參數通過西門子S7-1200中的自整定算法整定獲得．該系統結構圖如圖3所示．按照該方案，對于穩定運行在12m/s風速的E-WT系統，突然使風速變化并維持到18m/s，在這個擾動下觀察系統的抗擾性能，測試在此擾動下系統的恒功率輸出情況．實驗結果為:系統調整時間(取P的允許誤差帶300kW±2kW)ts=145s，輸出功率最大值Pmax=380kW．顯然該系統可以達到最終穩定，但是調整時間較長，最大超調量遠遠超過了規定的320kW．所以這種控制方案不滿足要求.

3.2基于轉速反饋和風速前饋的PID控制

分析3.1的實驗結果，可以得出，系統反應遲緩主要是因為閉環系統各個環節總的慣性太大．這些環節包括:E-WT系統的槳距角控制系統、風輪、增速器、發電機．因此，要想提高系統的靈敏性，就必須克服這些慣性．由于槳距角控制系統為E-WT本身進行控制，其控制快速性是無法改變的，所以只有改變其他環節的快速性．通過實驗可以找出風速Vwind和系統穩定在300kW時的槳距角λ300之間的關系，然后實時檢測風速，通過前饋確定當前風速對應的λ，把這個λ補償到3.1的控制系統中去．這樣就可以大大減小從槳距角到功率輸出的三個環節的慣性帶來的不利影響．該方案的結構圖如圖4所示．首先要獲得λ300和vwind之間的關系，該關系根據實驗數據使用MATLAB擬合得到，曲線如圖5所示．λ300=0.01897v3wind－0.9961v2wind+18.55vwind－111.6(3)由式(3)可以獲得克服風速變化引起的擾動的槳距角調節作用λ300．如果定義由風速PID控制器的輸出為λPID，那么這時槳距角調節系統總的輸入量:λ=λ300+λPID(4)仍然按照3.1所述的測試條件進行仿真實驗，實驗結果為:系統調整時間ts=130s，輸出功率最大值Pmax=350kW．顯然該系統可以達到最終穩定，而且調整時間比3.1所述方案要短，最大超調量也有所減小，但是超過了規定的320kW．所以這種控制方案仍然不能滿足要求．

3.3多變量協調PID控制

由式(1)分析可以得出，E-WT中的輸出功率P最終受到槳距角λ和電磁轉矩T兩個變量的共同影響．既然上述固定T、改變λ的兩個方案都不能滿足功能要求，可以考慮同時調節T和λ來對E-WT進行協調控制．控制系統結構圖如圖6所示．式(2)就是圖6中的電磁轉矩約束關系，控制器讀取當前發電機的轉速n，不斷地根據n計算出T，并把T設定到E-WT的發電機中去，這樣就可以實現T和n這兩個變量之間的靜態協調控制．仍然按照3.1所述的測試條件進行仿真實驗，實驗結果為:系統調整時間ts=80s，輸出功率最大值Pmax=316kW．顯然該系統可以達到最終穩定，而且調整時間比前兩個方案要短得多，最大超調量也減小很多．為方便對比，把以上三種控制方案的控制性能指標列于表2．

4實驗結果及其對比分析

為了更為全面測試系統的其他性能，針對該系統又做了如下實驗．電磁轉矩T的曲線、發電機轉速n的曲線、發電機功率P的曲線均標注在圖7(a)中．風速Vwind的曲線、槳距角λ的曲線均標注在圖7(b)中．圖8是上述實驗過程中的有功功率P的曲線．實驗過程是:A點之前，系統穩定工作在12m/s的風速之下，A點開始，風速突變到20m/s，B點風速突變到5m/s，C點風速突變到20m/s，D點是風向角發生了180°的改變，E點開始機頭和風向角度小于70°．觀察圖7和圖8可以發現，在多變量協調控制中，調節電磁轉矩T可以快速并有效地抑制由于風速和風向突變引起的輸出功率波動，而調節又可以使得發電機轉速n準確地穩定在額定轉速附近．完全達到了所需要的功能和性能要求．

5結論

本文針對風電機組的恒功率輸出問題進行分析并比較三種算法特點及其優劣，在使用E-WT雙饋發電機組的海上風場模擬時，得出如下結論:

1)通過仿真得出基于前饋的協調控制方案的有效性．

2)該方案具有算法簡單，易于實現(例如可以方便地在PLC中實現)的優點，有望在實際風電機組中進行試驗

參考文獻:

［1］劉新宇，陳鐵軍，姚致清．雙饋變速變槳風電機組的結構分散化控制方法應用研究［J］．電力系統保護與控制，2012，40(24):21－27

［2］何玉林，黃帥，蘇東旭，等．變速風力發電機組的多變量槳距控制策略［J］．電力系統保護與控制，2011，39(15):33－37

［3］鄧文斌，王維慶，吐松江•卡日，等．變速變槳距風力發電機組的智能控制［J］．化工自動化及儀表，2014，41(5):493－497

［4］杜靜，文薄程，謝雙義，等．變速變槳風力機的自適應變槳及轉矩控制［J］．電源技術，2014，38(10):1904－1906

［5］林志明，潘東浩，王貴子，等．雙饋式變速變槳風力發電機組的轉矩控制［J］．中國電機工程學報，2009，29(32):118－124

［6］何玉林，黃帥，蘇東旭，等．雙饋式變速變槳距風電機組的槳距控制［J］．中國電力，2011，44(3):90－95

［7］唐顯虎，李輝，夏桂森，等．雙饋風力發電機組并網控制策略及性能分析［J］．電網與清潔能源，2010，26(3):63－68

［8］耿華，楊耕．變速變槳距風電系統的功率水平控制［J］．中國電機工程學報，2008，28(25):130－139

［9］吳錚．基于s7-1200的風力發電系統的設計與實現［D］．北京:北京建筑大學．2014

作者:田舜禹 蔣志堅 單位:北京建筑大學電氣與信息工程學院