双馈变速变桨风力发电研究范文

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《北京建筑大学学报》2016年第2期

摘要:

从系统控制的角度，针对风力发电机组变速变桨距双馈异步发电机自动运行中的恒功率输出等关键问题进行了控制对象特性分析和控制方案设计．结合西门子s7-1200PLC控制器和风力发电机仿真模型

构建了研究实验平台，并进行了系统的控制实验与仿真．重点针对恒功率输出问题的控制进行了多种控制方案的设计和实验验证，经过比较不同的控制方案后证明:基于前馈的协调控制方案效果较好．

关键词:

风力发电;双馈异步发电机;变速变桨;模拟控制

变速变桨距双馈异步风力发电机DFIG在风力发电系统中的应用越来越广泛［1］，目前已经成为风力发电机组的首选和发展方向．它具有诸多明显优点:根据不同工况实时调整风机的风轮转速和浆距角，机组在低风速时浆距角为零，风轮按照最佳叶尖速比运行，追踪最佳风能利用系数，确保捕获最大风能，并保持输出电能的频率不变;在高风速时对浆距角进行调节，从而改变发电机的输出功率，最终可以使发电机输出功率保持在额定功率附近．因此，变速恒频双馈风力发电机组，和基于双馈式风力发电机组的变速、变桨距控制技术也已经成为近期风力发电领域的研究热点［2－3］．根据双馈式变速变桨风力机组的特点，国内外学者进行了大量深入的研究，提出了多种控制方案和控制算法，其中控制算法主要有PI(比例积分)控制、鲁棒控制、变结构控制、自适应控制［4］、预测控制［5－6］、模糊控制、结构分散化控制［7－8］和逆系统控制等各种控制策略．这些方法均为变速变桨风力发电系统的优化控制提供了不同的思路和理论依据，但大多数方法的理论性强，导致控制器的运算量过大，而在实际控制系统中(例如PLC控制系统中)难以实现．为此，西门子公司开发了以变速变桨距双馈异步风力发电机为被控对象的风力发电系统仿真软件E-WT．本文在E-WT仿真软件的基础上，结合西门子s7-1200PLC控制器构建了研究实验平台，对变速变桨距双馈异步风力发电机的运行控制进行了分析和研究，用多种控制方案进行了仿真实验．分析和仿真实验证明:基于前馈的协调控制方案对于双馈式变速变桨距风力发电机组的恒功率输出控制效果较好．

1仿真实验平台

被控对象为模拟风力发电系统E-WT，是基于WindowsXP操作系统的仿真软件．与其相连的通讯网关PM-125将Profibus协议转换为Modbus协议并通过USB\RS485与仿真软件通讯，系统控制器选用西门子S7-1200PLC并挂载DP通讯模块CM1243-5．上位机通过WINCC软件监控系统的运行状态．如图1所示，PLC可控制模拟风力发电系统E-WT并由上位机监控．

2被控对象描述和控制要求

2.1E-WT设计参数

E-WindTurbine中变速变桨距双馈异步风力机的关键设计参数如表1所示．对于变速变桨距双馈异步风力发电机，并网运行时的控制系统必须具有以下功能:

1)根据风速的信号自动进入启动状态或从电网切出;

2)根据风速大小及输出功率自动进行转速和功率的控制:当风速低于额定风速时，系统能从风场中捕获最大风能;当风速大于额定风速时，系统应该平稳地向电网输出尽可能多的电能;

3)根据风向信号自动对风;

4)当发电机脱网时，能确保机组安全停机;

5)在风力发电机机组运行的过程中，能够对风况、电网和机组的运行状况实时进行监测和记录，对出现的异常状况能够自行判断并且采取相应的保护动作，能够根据记录下的数据，生成各种显示图表，以准确反映风力发电机组各项性能指标．

2.2具体控制要求针

对E-WT系统，恒功率输出的具体控制要求为:当风速大于12m/s时，系统应尽可能快速地使发电功率稳定在300kW左右;当有剧烈的风速和风向扰动时，功率输出不超出300kW±20kW;同时，发电机的转速不得超过2300r/min，稳定后的转速也要尽可能靠近额定转速1550r/min．

3三种控制方案

针对图2所示E-WT系统对象，为了达到恒功率输出的目的，主要讨论以下三种常规的控制方案．

3.1基于转速反馈的PID控制

对发电机，由于存在:P=T×n9550(1)式中:P为发电机输出功率;T为发电机电磁转矩;n为发电机转子转速．式(1)只是理论上的P与T和n的关系，具体到目前的E-WT系统，可能会稍有偏差．为了获得更准确的关系，经过多次试验，获得关系为:T=9574.944P/n(2)式(2)中P为发电机的理论输出功率;T为发电机的电磁转矩;n为发电机转速．所以方案一通过固定T不变，选择n为被控量，以E-WT的桨距角设定值λ为控制量，通过调节λ来稳定n，进而稳定功率P，选择最常用的PID为控制算法［9］，PID参数通过西门子S7-1200中的自整定算法整定获得．该系统结构图如图3所示．按照该方案，对于稳定运行在12m/s风速的E-WT系统，突然使风速变化并维持到18m/s，在这个扰动下观察系统的抗扰性能，测试在此扰动下系统的恒功率输出情况．实验结果为:系统调整时间(取P的允许误差带300kW±2kW)ts=145s，输出功率最大值Pmax=380kW．显然该系统可以达到最终稳定，但是调整时间较长，最大超调量远远超过了规定的320kW．所以这种控制方案不满足要求.

3.2基于转速反馈和风速前馈的PID控制

分析3.1的实验结果，可以得出，系统反应迟缓主要是因为闭环系统各个环节总的惯性太大．这些环节包括:E-WT系统的桨距角控制系统、风轮、增速器、发电机．因此，要想提高系统的灵敏性，就必须克服这些惯性．由于桨距角控制系统为E-WT本身进行控制，其控制快速性是无法改变的，所以只有改变其他环节的快速性．通过实验可以找出风速Vwind和系统稳定在300kW时的桨距角λ300之间的关系，然后实时检测风速，通过前馈确定当前风速对应的λ，把这个λ补偿到3.1的控制系统中去．这样就可以大大减小从桨距角到功率输出的三个环节的惯性带来的不利影响．该方案的结构图如图4所示．首先要获得λ300和vwind之间的关系，该关系根据实验数据使用MATLAB拟合得到，曲线如图5所示．λ300=0.01897v3wind－0.9961v2wind+18.55vwind－111.6(3)由式(3)可以获得克服风速变化引起的扰动的桨距角调节作用λ300．如果定义由风速PID控制器的输出为λPID，那么这时桨距角调节系统总的输入量:λ=λ300+λPID(4)仍然按照3.1所述的测试条件进行仿真实验，实验结果为:系统调整时间ts=130s，输出功率最大值Pmax=350kW．显然该系统可以达到最终稳定，而且调整时间比3.1所述方案要短，最大超调量也有所减小，但是超过了规定的320kW．所以这种控制方案仍然不能满足要求．

3.3多变量协调PID控制

由式(1)分析可以得出，E-WT中的输出功率P最终受到桨距角λ和电磁转矩T两个变量的共同影响．既然上述固定T、改变λ的两个方案都不能满足功能要求，可以考虑同时调节T和λ来对E-WT进行协调控制．控制系统结构图如图6所示．式(2)就是图6中的电磁转矩约束关系，控制器读取当前发电机的转速n，不断地根据n计算出T，并把T设定到E-WT的发电机中去，这样就可以实现T和n这两个变量之间的静态协调控制．仍然按照3.1所述的测试条件进行仿真实验，实验结果为:系统调整时间ts=80s，输出功率最大值Pmax=316kW．显然该系统可以达到最终稳定，而且调整时间比前两个方案要短得多，最大超调量也减小很多．为方便对比，把以上三种控制方案的控制性能指标列于表2．

4实验结果及其对比分析

为了更为全面测试系统的其他性能，针对该系统又做了如下实验．电磁转矩T的曲线、发电机转速n的曲线、发电机功率P的曲线均标注在图7(a)中．风速Vwind的曲线、桨距角λ的曲线均标注在图7(b)中．图8是上述实验过程中的有功功率P的曲线．实验过程是:A点之前，系统稳定工作在12m/s的风速之下，A点开始，风速突变到20m/s，B点风速突变到5m/s，C点风速突变到20m/s，D点是风向角发生了180°的改变，E点开始机头和风向角度小于70°．观察图7和图8可以发现，在多变量协调控制中，调节电磁转矩T可以快速并有效地抑制由于风速和风向突变引起的输出功率波动，而调节又可以使得发电机转速n准确地稳定在额定转速附近．完全达到了所需要的功能和性能要求．

5结论

本文针对风电机组的恒功率输出问题进行分析并比较三种算法特点及其优劣，在使用E-WT双馈发电机组的海上风场模拟时，得出如下结论:

1)通过仿真得出基于前馈的协调控制方案的有效性．

2)该方案具有算法简单，易于实现(例如可以方便地在PLC中实现)的优点，有望在实际风电机组中进行试验

参考文献:

［1］刘新宇，陈铁军，姚致清．双馈变速变桨风电机组的结构分散化控制方法应用研究［J］．电力系统保护与控制，2012，40(24):21－27

［2］何玉林，黄帅，苏东旭，等．变速风力发电机组的多变量桨距控制策略［J］．电力系统保护与控制，2011，39(15):33－37

［3］邓文斌，王维庆，吐松江•卡日，等．变速变桨距风力发电机组的智能控制［J］．化工自动化及仪表，2014，41(5):493－497

［4］杜静，文薄程，谢双义，等．变速变桨风力机的自适应变桨及转矩控制［J］．电源技术，2014，38(10):1904－1906

［5］林志明，潘东浩，王贵子，等．双馈式变速变桨风力发电机组的转矩控制［J］．中国电机工程学报，2009，29(32):118－124

［6］何玉林，黄帅，苏东旭，等．双馈式变速变桨距风电机组的桨距控制［J］．中国电力，2011，44(3):90－95

［7］唐显虎，李辉，夏桂森，等．双馈风力发电机组并网控制策略及性能分析［J］．电网与清洁能源，2010，26(3):63－68

［8］耿华，杨耕．变速变桨距风电系统的功率水平控制［J］．中国电机工程学报，2008，28(25):130－139

［9］吴铮．基于s7-1200的风力发电系统的设计与实现［D］．北京:北京建筑大学．2014

作者:田舜禹 蒋志坚 单位:北京建筑大学电气与信息工程学院