摘要 1.1研究背景 1.2研究意義 1.3研究內容 2永磁同步電機的矢量控制策略 2.1矢量控制的基本思想 32.1.2矢量控制變換的思路 2.2按轉子磁場定向的矢量控制的實現(xiàn) 3永磁同步電機的功率控制 3.1風力發(fā)電的特點及控制要求 3.2永磁同步電機的動態(tài)特性 3.3并網型永磁同步電機的功率調節(jié)控制 3.3.1風力機的功率調節(jié) 4永磁同步電機滑模控制研究 4.1風力機的功率控制 4.2調頻控制策略 4.2.1風電機轉子慣性控制 4.3.1風力發(fā)電系統(tǒng)模型 4.4自適應滑模的雙饋風機綜合控制仿真 4.4.1系統(tǒng)負荷突增工況仿真 4.4.2系統(tǒng)負荷突減工況仿真 總結 于系統(tǒng)的"結構"不是固定不變的，而是可以在動態(tài)過程中，根據系統(tǒng)當前的狀態(tài)(如偏差及偏差的各階導數(shù)等)有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預定"滑動模態(tài)"的狀態(tài)饋永磁同步電機的結構方式以及控制理論入手，主要對2MW雙饋雙饋永磁同步電機WindpowerisoneofthemostpromisingandtechnoresourcesWindpowergenerationisthemainformofhumanuseofwindpoweandwindpowergenerationtechnolouseBasedontheshorttermpredictionocorrespondingmultiobjectiveoptimizatiocontrolstandardandthevariconceivedandthemodelmodeofthenomeasurementforthegengeneratorTheoutputoftpowerfactoroftheunitbelowther效率最高最具有經濟性的運行方式，其單機容量一般為20kW本文主要從雙饋永磁同步電機的結構方式以及控制理論入手，主要對2MW雙饋線性控制系統(tǒng)模型上進行控制器的設計，然后進行控制保持額定功率穩(wěn)定輸出的控制策略，設計了高于額定風速下PI控制器，同時，在實際2永磁同步電機的矢量控制策略2.1矢量控制的基本思想2.1.1矢量控制方法的提出在現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)和機電一體化產品中普遍要求動作靈活、行動迅速、定位精任何一個機電傳動、伺服系統(tǒng)，在工作中都要服從運動的基本方程來產生轉子角加速度的動態(tài)轉矩。若要對一個機電系統(tǒng)的動態(tài)性能進行有效地控制，須對電機的瞬時電磁轉矩進行有效的控制。2.1.2矢量控制變換的思路由電機學可知，永磁同步電機多相對稱繞組通以多相對稱的電流時，能夠產生磁場，見圖2-1所示a)三相交流繞組b)兩相交流繞組c)旋轉的直流繞組旋轉磁場的大小、轉向、轉速與合成磁場都相同時，圖2-1a)和b)兩套繞組是等效的。圖2-1c)是兩個匝數(shù)相等且互相垂直的M和T繞組，它們與旋轉磁場同步旋轉，M繞組的軸線與三相合成磁場方向平行，T繞組的軸線則與之垂直，繞組中分別通以直GG矢量變換控制的基本思想。圖2-2是上述等效關系的結構圖，從整體式看，是一臺輸入為A、B、C三相電壓，輸出為轉速的永磁同步A-22.2按轉子磁場定向的矢量控制的實現(xiàn)在模擬直流電動機轉矩控制時，一般采用保持主磁通不變，調節(jié)控制電樞電流的方法，即應保持轉子總磁鏈y,不變，改變T軸轉矩電流分量。此外，永磁同步電機在進行變頻調速時，頻率改變，實時控制，調節(jié)電流的轉矩分量i,,因此電流和頻率動態(tài)協(xié)調的關系也應該是矢量控制時必須遵循的基本方程。按轉子磁場定向的兩相同步旋轉坐標系上的數(shù)學模型中，電壓方程如下由式(2-2)得到將式(2-3)代入式(2-2)中的第三行，得式(2-4)代入(2-3)中得到由(2-63)得電磁轉矩方程同(2-67),即將式(2-63)代入式(2-9)得式(2-10)說明，當y,恒定時，矢量控制系統(tǒng)的轉差頻率在動態(tài)中也能與轉矩成正比。由式(2-2)的第1,2行，和式(2-3)、(2-6)、(2-7)可得為漏磁系數(shù)為轉子時間常數(shù)風能是一種穩(wěn)定性較差，能量密度低的能源，由于風速永磁同步電機的動態(tài)特性是指構成機組的各部件的動態(tài)X轉速速圖3-1永磁同步電機動態(tài)特性對于定槳距恒速運行的永磁同步電機，當輸入變化時，控制變距或變速永磁同步電機的設計，應考慮整機的結構動力風力機和發(fā)電機是風力發(fā)電中的兩個關鍵部分，有限的速度和功率受到限制，因此風力機和發(fā)電機的功率和速度控制風力機采用的是氣動功率的調節(jié)技術，在超過額定風速的功率調節(jié)方式有定槳距失速調節(jié)、變槳距調節(jié)和主動失速調節(jié)3種，氣動功率調節(jié)原理如圖3-2所示。3.3.2定槳矩失速永磁同步電機的控制對于定槳距恒速的永磁同步電機，控制除了一般的起動、制動、并網控制等以外，當輸入變化時，在額定風速以下，控制系統(tǒng)對機組只做很小的調整，例如當風向改變時，通過偏航控制系統(tǒng)調整航向，或在風速改變時，通過切換雙速發(fā)電機實現(xiàn)兩極變速，而其動態(tài)響應特性沒有任何改變。因此，在輸入變化時，永磁同步電機只有很小機會運行在最佳狀態(tài)，其控制系統(tǒng)結構如圖3-3所示。輸出(電能)輸入(風能)風力發(fā)電機組(1)雙速異步發(fā)電機的運行控制雙速異步發(fā)電機的運行狀態(tài)，分為大發(fā)電機運行的高功率和小發(fā)電機運行的低功率兩種狀態(tài)，高風速時用4極的大發(fā)電機，同步轉速為1500r/min;低風速時用6極小發(fā)電機，同步轉速為1000r/min,大小發(fā)電機的切換通過功率控制來實現(xiàn)。(2)小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換。小發(fā)電機向大發(fā)電機的切換，一般以平均功率或瞬時功率為預置切換點。當小發(fā)電機的輸出功率在某個時間點上(一般為10min)的平均功率達到某一設定值或在一定時間內(例如5min的平均值達到某一設定值時，通過計算機控制自動切換到大發(fā)電機。為完成切換過程，發(fā)電機從電網脫離，風力將帶動發(fā)電機轉速迅速上升，在轉速接近同步轉速時通過電子開關(晶閘管)并入電網。(3)大發(fā)電機向小發(fā)電機的切換。當雙速發(fā)電機在高輸出功率狀態(tài)運行時，若輸出功率在一定時間內(例如5min平均值低于某一設定值時，或其輸出功率持續(xù)一定時間內低于設定值，通過計算機系統(tǒng)自動地切換為小發(fā)電機運行。在大發(fā)電機向小發(fā)電機切換時，由于在脫網之前，發(fā)電機仍處于出力狀態(tài)，轉速在1500r/min以上，脫網后轉速進一步上升，為防止過速，保護裝置應動作，迅速進行軟并網，由電網負載將發(fā)電機轉速拖到小發(fā)電機額定轉速附近。只要轉速不超過超速保護的設定值，就允許執(zhí)行小發(fā)電機的軟并網。(4)偏航系統(tǒng)的控制偏航系統(tǒng)是一個隨動系統(tǒng)。當風向偏離風輪軸時，由檢測元件檢測的信號會與風向信號不一致，控制系統(tǒng)經過一段時間確認后，輸出的控制信號控制偏航電動機，會使機組的葉片對準風向。偏航控制系統(tǒng)框圖如圖3-4所示。風向信號+風向信號+4永磁同步電機滑模控制研究4.1風力機的功率控制雙饋發(fā)電機的定子直接和電網連接，轉子通過一套雙向功率變換器和電網相連，如圖4-1所示。其風力機捕獲的機械功率MP如式(4-1)所示：網網圖4-1雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)模型風速。當雙饋風力機運行在低于額定風速時，通過控制發(fā)電機實現(xiàn)不同風速下的風機捕獲功率P,的最大化，可通過維持最佳葉尖速度比，同時對風力機轉速調節(jié)的方式來實對于給定的風速，葉尖速比最優(yōu)時，每條功率曲線都有一個最大功率點，為了在變風速下均可以產生最大的功率，需要調節(jié)風力機的轉速使其一直運行在最大功率點。將所有最大功率點的連接起來就是功率曲線，其數(shù)學關系可描述為：雙饋風電機可以通過控制轉子側變流器的電流將轉子側的轉速降到較低，相比定風速型風機能夠提供更多的等效慣量。自適應滑模的雙饋風機采用矢量控制技術能夠實現(xiàn)電流和功率的解耦控制，這也使得轉子的動能慣性被隱藏起來，當電網因切機，負荷變化和瞬時故障而引起系統(tǒng)頻率變化時，無法響應頻率的變化，因此需要在矢量控制的基礎上加入慣性調節(jié)和有功4.2調頻控制策略4.2.1風電機轉子慣性控制發(fā)電系統(tǒng)的虛擬慣性能力顯示了風電機組維持頻率恒定的功能，讓系統(tǒng)有充分的時間來控制機械功率創(chuàng)立新的功率平衡點，達到頻率恒定。在電網系統(tǒng)頻率突變時，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)能夠迅速調節(jié)電磁功率，調節(jié)風力機轉速，釋放和存儲風電機組的轉子動能，虛擬出較大可調節(jié)的慣性響應為系統(tǒng)提供有功支撐。轉子慣性控制本質特性是：利用調節(jié)轉子側變流器的勵磁電流，能夠短時間內改變轉子速度，達到釋放或者存儲風電機組的轉子動能的作用，使雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)能迅速提供轉動慣性響應電網頻率的暫態(tài)波動。風電機組功率的參考值為：慣性控制的附加功率控制器添加基于頻率偏差變化的附加功率△P。通過調節(jié)槳葉的迎風角度，來控制機械功率的大小，使雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率跟蹤點(或者下方某點),釋放和存儲風電機組的轉子動能。在可控范圍內隨著槳距角增大，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)提供的功率支撐會更大，功率—轉速特性曲線如圖4-2所示：當風力機穩(wěn)定運行在最大功率點1時，系統(tǒng)頻率為50Hz工頻，輸出功率為P1;若電網負載功率增加引起電網頻率下降，則需要風電機組提供更多的有功功率支撐。通過減小槳距角β增加機組的風能捕獲，提升輸出功率，如從點1上升到3,此時機組輸出功率從P1上升到P3;反之，當電網負載減小，電網頻率上升，槳距角增大，風能捕獲降低，運行點從1到2,機組減載運行提供更多的功率備用。圖4-2功率-轉速特性曲線在通過變槳控制實現(xiàn)最大功率點跟蹤的研究中，文獻通過葉片槳距角調節(jié)進行調頻，未能考慮虛擬慣性的影響；文獻結合槳距角調節(jié)和虛擬慣性，考慮了頻率偏差和功率偏差反饋，但沒有考慮功率的備用。本項目在綜合考慮槳距角調節(jié)和虛擬慣性的基礎上，通過增加有功備用和轉速偏差反饋，為二次調頻提供功率支撐，得到了改進型雙饋風電機組的變槳控制方程：式(4-6)中：K為頻率偏差比例系數(shù)；β,為在轉速恒定區(qū)時的槳距角；β為減4.3永磁同步電機滑模仿真模型在MATLAB中搭建如圖4-3所示仿真系統(tǒng)模型來驗證雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)參與電網頻率調節(jié)的作用，該仿真系統(tǒng)模型包括四臺常規(guī)機組，分布在兩個區(qū)域中，區(qū)域1包括機組1和2,區(qū)域1的所有負荷接入節(jié)點7,有功負荷為967MW;機組3和4位于區(qū)域2中，節(jié)點9為負荷節(jié)點，有功負荷為1767MW,每臺機組都裝有調速器、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器和勵磁系統(tǒng)，兩區(qū)域通過中間線8互相聯(lián)接。風電場包括250臺2MW的雙饋風電機組，總容量為500MW,C1和C2為無功功率補償裝置。尸P尸P+.re+)P+轉子側變流器×+df(2)變槳控制器模型控制的一次調頻控制器如圖4-5所示。圖4-5一次調頻控制結構圖控制器有虛擬慣性控制模塊和變槳距控制器，虛擬慣性控制模塊的主要功能是調節(jié)功率曲線，能快速降低電網早期的頻率波動。虛擬慣性控制模塊中包含轉速恢復啟動模塊和轉速保護系統(tǒng)模塊，轉速恢復啟動模塊待系統(tǒng)頻率恢復穩(wěn)定后，進行轉速恢4.4自適應滑模的雙饋風機綜合控制仿真仿真風速為10m/s,雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)運行在提供20%功率備用初始狀態(tài)，系統(tǒng)在故障的工況。并對節(jié)點8的頻率響應特性進行觀察分析，節(jié)點8位于兩區(qū)域的中間位考慮在節(jié)點7突然增加200MW有功功率負荷，分別在以下情形時，對系統(tǒng)的頻最大頻率偏離Afmm(H?)穩(wěn)定時間t(s)(1)不參與頻率調節(jié)(2)采用慣性控制調頻策略8(3)采用改進變槳控制調頻策略(4)采用綜合調頻控制策略6圖4-7顯示了四種不同控制策略情形下雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)提供有功功率的情況。在使用慣性控制調頻策略時，發(fā)電系統(tǒng)提供的功率響應曲線有明雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)給電網提供的功率支撐比采用改進控制策略供的功率響應曲線較平緩，效果較好，不會造成頻率波動過大率響應曲線可知：當雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)提供功率調頻時，系在調節(jié)電網頻率的暫態(tài)過程中，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)利用調節(jié)風力機轉速，釋放和存儲風電機組的轉子動能，虛擬出較大可調節(jié)的慣性響應來增加額外的有功支撐。雙饋風電機組參與頻率調節(jié)時，電網負荷突增會導致風力機轉速降低，慣性控制策略的轉速比改進控制策略下和綜合調頻控制的轉速降低程度小，采用綜合調頻控制時，其轉速下降程度比虛擬慣性控制恢復到最佳轉速的時間短。結合頻率響應曲線可知，綜考慮在節(jié)點7突然減少200MW有功功率負荷，分別在四種不同控制策略情形時，(ZH)