雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略及仿真分析案例概述目錄雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略及仿真分析案例概述 1第一章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略 11.1基本控制策略 11.1.1運(yùn)行區(qū)域 11.1.2最大風(fēng)功率追蹤 21.1.3變槳距控制 31.2電壓空間矢量脈寬調(diào)制 31.3矢量控制技術(shù) 91.4本章小結(jié) 11第二章仿真結(jié)果及分析 11第一章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略1.1基本控制策略1.1.1運(yùn)行區(qū)域隨著風(fēng)速的不斷變化，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在不同的區(qū)域，其控制目標(biāo)也有所不同。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行區(qū)間可分為四個階段：起動區(qū)、Cp圖1.1風(fēng)力機(jī)運(yùn)行區(qū)域（1）起動區(qū)OAB為起動階段，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時，變槳距機(jī)構(gòu)動作，使槳距角變化，同時機(jī)組對發(fā)電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)控制，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到切入轉(zhuǎn)速，同時調(diào)節(jié)定子電壓，此時發(fā)電機(jī)沒有功率輸出。（2）CpBC段為Cp恒定區(qū)，這一階段為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后，風(fēng)速沒有達(dá)到額定風(fēng)速前，主要目標(biāo)是控制轉(zhuǎn)速來跟蹤風(fēng)速的變化，機(jī)組變速運(yùn)行，從而使風(fēng)能利用系數(shù)保持為最大值Cpmax（3）轉(zhuǎn)速恒定區(qū)CD為轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，這一階段發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由于機(jī)械條件的限制，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之后，為了機(jī)組的安全，必須限制轉(zhuǎn)速，隨著風(fēng)速的增大，轉(zhuǎn)速要保持在額定轉(zhuǎn)速上，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大，輸出功率將繼續(xù)增大。(4)功率恒定區(qū)DE段為功率恒定區(qū)，這一階段風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速，發(fā)電機(jī)和變流器接近極限運(yùn)行狀態(tài)，所以必須通過改變?nèi)~片槳距角以及調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小Cp值來改變風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性，使風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能減少以及轉(zhuǎn)速迅速下降，從而使功率輸出基本穩(wěn)定在額定值附近[11-12]由風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行區(qū)域可見，當(dāng)風(fēng)速低于額度風(fēng)速時，追蹤C(jī)pmax1.1.2最大風(fēng)功率追蹤當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，通過控制發(fā)電機(jī)實現(xiàn)控制風(fēng)力機(jī)的目的。對于給定的風(fēng)速，當(dāng)葉尖速比為λopt爬山搜索法既不需要實時采集風(fēng)速，也不需要明確風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率曲線，通過測量轉(zhuǎn)速以及功率信號，根據(jù)梯度變化進(jìn)行邏輯判斷。當(dāng)風(fēng)速增大時，運(yùn)行點(diǎn)從A3變?yōu)锽1，控制系統(tǒng)控制風(fēng)力機(jī)沿著B1-B2-B3的方向進(jìn)行追蹤，直至達(dá)到新的最佳功率點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)速減小時，運(yùn)行點(diǎn)從B3變?yōu)镃1，控制系統(tǒng)控制風(fēng)力機(jī)沿著C1-C2方向進(jìn)行追蹤，直至達(dá)到新的最佳功率點(diǎn)。圖1.2爬山搜索法示意圖該方法就是對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速控制命令值以一定轉(zhuǎn)速擾動值Δω1.1.3變槳距控制葉片攻角是影響風(fēng)輪功率輸出的主要因素之一，可以通過變槳機(jī)構(gòu)調(diào)整葉片槳距角來控制風(fēng)力機(jī)獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩，以保證功率輸出穩(wěn)定[13]。變槳距控制主要包括以下幾個階段：（1）當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速時，機(jī)組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)而不產(chǎn)生電能，槳距角保持順槳狀態(tài)，即恒定值90°。（2）當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速而未超過額定風(fēng)速時，槳距角置于0°左右，機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，通過最大功率追蹤控制，使機(jī)組運(yùn)行在最佳葉尖速比上，從而使風(fēng)能利用系數(shù)保持在Cpmax（3）當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，為了限制風(fēng)輪吸收風(fēng)能，變槳距控制系統(tǒng)開始動作，增大槳距角以減小攻角，使得機(jī)組功率輸出保持在額定功率。（4）當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速時，此時變槳機(jī)構(gòu)動作使槳距角變?yōu)?0°，即順槳狀態(tài)，風(fēng)力機(jī)抱閘剎車，葉片不再捕獲風(fēng)能，以保護(hù)機(jī)組在危險風(fēng)速下的安全。1.2電壓空間矢量脈寬調(diào)制兩電平空間矢量調(diào)制（SpaceVectorPulseWidthModulation，SVPWM）控制策略是依據(jù)變流器空間電壓矢量切換從而來控制變流器的一種控制策略[14]。SVPWM控制策略實際上是對應(yīng)于交流電機(jī)中的三相電壓源逆變器的一種特殊的開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合，此開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合在定子線圈中產(chǎn)生三相互差120°電角度、失真較小的正弦波電流波形[15]（1）發(fā)電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)速度快，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈沖降低；（2）優(yōu)化諧波程度比較高，電壓利用率高；（3）控制和數(shù)字化實現(xiàn)簡便。本文采用基于固定開關(guān)頻率的SVPWM電流控制，在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流調(diào)節(jié)器輸出空間電壓矢量指令，轉(zhuǎn)換為三相靜止坐標(biāo)系下的矢量，再采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制的方法，通過控制電壓矢量指令，控制變流器輸出的電壓矢量，從而實現(xiàn)換流器的空間電壓矢量對目標(biāo)值的追蹤，從而控制電流。三相正弦相電壓為u式中：Um為相電壓的幅值；ω三相電壓ua、ub、ucReIm可得：U圖1.3電壓空間矢量Uout圖為三相對稱正弦電壓的空間電壓矢量運(yùn)動軌跡圖。Uout圖1.4兩電平三相電壓源變流器原理圖PWM的功率開關(guān)狀態(tài)要滿足：在任意時刻有且僅有三個開關(guān)處于開通狀態(tài)，另三個則處于關(guān)斷狀態(tài)；上下橋臂不能同時導(dǎo)通。開關(guān)量sa、sb、sc、sa'、sb'、sc'表示6個功率開關(guān)器件。當(dāng)sa、sb或sc為1時，表示上橋臂開關(guān)器件導(dǎo)通，其下橋臂開關(guān)器件關(guān)斷，即U式中：Udc交流側(cè)相電壓VAN、VBN、V則交流測相電壓VAN、VBN、VCN，線電壓Vab、Vbc表1.1開關(guān)組合和電壓sssVVVVVVU00000000001002??U0?2010?2??U02110UU?20U?2001??20?U2101U?2UU?02011?2UU?0U21110000000非零開關(guān)狀態(tài)與零開關(guān)狀態(tài)分別由非零空間矢量與零空間矢量來表示，6個圖1.5電壓空間矢量圖非零矢量U1(001)、U2（010）、U3（011）、U4（100）、U5（101）、電壓空間矢量Uout旋轉(zhuǎn)到某個扇區(qū)時，可以由該扇區(qū)的兩個相鄰的非零矢量和零矢量經(jīng)過組合得到。即給定電壓與采樣周期TTT式中：T4、T6和T0分別為U4、U6由上述可知，掌握電網(wǎng)電壓矢量Uout用uα、uβ來表示參考電壓矢量Uout在α、β軸上的分量，定義Uref1、UUU定義變量A、B、C，有如下分析：若Uref1>0，則A=1，否則若Uref2>0，則B=1，否則若Uref3>0，則C=1，否則令N=4C+2B+A，則獲得N與扇區(qū)的關(guān)系。表1.2N與扇區(qū)的關(guān)系N315462扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ由電壓空間矢量合成關(guān)系可知：uu計算得TT定義：X=可以得到扇區(qū)T4、T6、T0（表1.3各扇區(qū)作用時間T4、T6、T0N123456TZY-Z-XX-YTY-XXZ-Y-ZTT若T4T定義：

T三相電壓開關(guān)時間切換點(diǎn)Tcm1、Tcm2、Tcm3表1.4各扇區(qū)開關(guān)時間切換點(diǎn)Tcm1、Tcm2N123456TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT1.3矢量控制技術(shù)DFIG的控制對象為輸出的有功、無功功率，為了實現(xiàn)對有功、無功功率解耦控制的目的，就要通過矢量控制理論，利用坐標(biāo)變換和磁場定向把發(fā)電機(jī)定子電流分解為相互解耦的有功、無功分量，分別進(jìn)行控制。由于網(wǎng)側(cè)的電壓比較穩(wěn)定，因此一般將d軸定向到定子電壓或者定子磁鏈上，本文采用定子磁鏈定向（SVO）的矢量控制，將d軸定位在Ψs的方向上，稱作M軸，逆時針旋轉(zhuǎn)90圖1.6定子磁鏈定向坐標(biāo)變換示意圖由上圖可知，定子磁鏈?zhǔn)噶颗cM軸方向一致，則：ΨMs=Ψs，Ψi對有功、無功功率的控制是通過DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)換流器進(jìn)行的，在SVO控制下，有功、無功功率與轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系為：P=可以看出，DFIG的有功功率P轉(zhuǎn)子電流T軸的分量有關(guān)，無功功率Q僅與轉(zhuǎn)子電流M軸分量有關(guān)，而電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)子電流T因此調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩電流分量iTr可以調(diào)節(jié)P或Te，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流分量iMr可以調(diào)節(jié)Q已知發(fā)電機(jī)控制的輸入變量為電壓向量，由于uMs=0，uTs=?UΨu式中：uMr，uTr為實現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制的解耦項；?uMr根據(jù)以上分析，可以得到基于定子磁鏈定向的DFIG矢量控制框圖，如下圖所示：圖1.7基于定子磁鏈定向的DFIG矢量控制框圖該控制系統(tǒng)采用電流內(nèi)環(huán)以及功率外環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中有功與無功串級控制環(huán)互相獨(dú)立控制。在功率外環(huán)中，有功功率參考值由轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)給定，無功功率參考值根據(jù)風(fēng)電場控制系統(tǒng)給定，一般令Q?=0。有功、無功反饋值與參考值P?、Q?比較后，經(jīng)過PI控制得到轉(zhuǎn)子電流有功、無功分量的參考值iMr?、iTr?。轉(zhuǎn)子電壓指令uMr?，1.4本章小結(jié)本章首先分析了風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行區(qū)間分為四個階段：起動區(qū)、Cp恒定區(qū)、轉(zhuǎn)速恒定區(qū)和功率恒定區(qū)；根據(jù)不同的運(yùn)行區(qū)間提出不同的控制策略：當(dāng)風(fēng)速低于額度風(fēng)速時，追蹤C(jī)第二章仿真結(jié)果及分析在完成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)模型和控制策略的基礎(chǔ)上，構(gòu)建整機(jī)及其控制系統(tǒng)模型，在不同風(fēng)速下對整機(jī)模型進(jìn)行仿真運(yùn)行。額定風(fēng)速為12m/s，設(shè)定仿真時間為20s，輸入風(fēng)速如圖2.1所示，在5s處達(dá)到額定風(fēng)速，在10s處風(fēng)速大于額定風(fēng)速，利用階躍風(fēng)進(jìn)行仿真模擬。圖2.1風(fēng)速變化曲線風(fēng)能利用系數(shù)Cp、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm、葉尖速比λ、風(fēng)力機(jī)輸出功率Pm、槳距角β的仿真結(jié)果如下圖2.2-圖圖2.2風(fēng)能利用系數(shù)Cp變化曲線圖2.3風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩變化曲線圖2.4葉尖速比變化曲線圖2.5風(fēng)力機(jī)輸出功率變化曲線圖2.6槳距角變化曲線從圖2.2-圖2.6可以看出，當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速而未超過額定風(fēng)速時，槳距角置于0°左右，機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，通過最大功率追蹤控制，使機(jī)組運(yùn)行在最佳葉尖速比上，從而使風(fēng)能利用系數(shù)保持在Cpmax。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速后，發(fā)電機(jī)和變流器接近極限運(yùn)行狀態(tài)，所以必須通過改變?nèi)~片槳距角以及調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小Cp值來改變風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性，使風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能減少以及轉(zhuǎn)速迅速下降，從而使功率輸出基本穩(wěn)定在額定值附近。仿真結(jié)果中的明顯波動，是由于風(fēng)速變化的緣故，在風(fēng)速變化后，風(fēng)能利用系數(shù)Cp、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm、葉尖速比λ、風(fēng)力機(jī)輸出功率P為了驗證電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）的正確性，圖2.7-圖2.9給出了SVPWM的仿真結(jié)構(gòu)。圖2.7扇區(qū)N的計算結(jié)果圖2.8切換時間的計算結(jié)果圖2.9相電壓Ua由圖2.7-圖2.9的仿真結(jié)果可知，扇區(qū)N的值為3→1→5→4→6→2交替變換；得到的調(diào)制波呈馬鞍形，發(fā)電機(jī)相電壓為6拍階梯波，與理論推導(dǎo)值相近，所以以上仿真結(jié)果驗證了SVPWM算法模型的正確性和可行性。系統(tǒng)的有功功率及無功功率仿真結(jié)果如圖2.10和圖2.11所示。圖2.10系統(tǒng)有功功率變化曲線圖2.11系統(tǒng)無功功率變化曲線圖2.12轉(zhuǎn)子三相電流變化曲線圖2.13截取部分段轉(zhuǎn)子三相電流變化曲線圖2.14轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量圖2.15定子三相電流變化曲線圖2.16截取部分段定子三相電流變化曲線圖2.17定子電流d、q軸分量圖2.18轉(zhuǎn)子三相電壓變化曲線圖2.19轉(zhuǎn)子電壓d、q軸分量圖2.20定子三相電壓變化曲線圖2.21截取部分段定子三相電壓變化曲線圖2.22定子電壓d、q軸分量圖2.23電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線圖2.24電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械轉(zhuǎn)矩的追蹤過程圖2.25有功功率與參考值的追蹤過程從以上仿真結(jié)果可以看出，在0~5s區(qū)間段，風(fēng)速保持為10m/s，有功功率輸出穩(wěn)定，但未達(dá)到額定功率，無功功率保持為0，風(fēng)能利用系數(shù)保持在最大值，以獲取最大風(fēng)能；在5~10s區(qū)間段，風(fēng)速保持在12m/s，由于風(fēng)速變大，系統(tǒng)有功功率輸出增大并達(dá)到額定功率；在10~20s區(qū)間段，風(fēng)速超過額定風(fēng)速，系統(tǒng)進(jìn)入恒功率運(yùn)行區(qū)間，變槳距機(jī)構(gòu)動作，使得輸出功率基本保持在額定功率1.5MW，而無功功率依舊保持為0。由于網(wǎng)側(cè)的電壓比較穩(wěn)定，因此將d軸定向到定子磁鏈上，電網(wǎng)電壓矢量變換