风力发电机组控制系统设计-—最大功率点跟踪控制

('课程设计说明书风力发电机组控制系统设计—最大功率点跟踪控制专业新能源科学与工程学生姓名喻绸绢班级能源121学号1210604122指导教师薛迎成完成日期2015年12月14日目录1.控制功能设计要求................................................................................11.1任务...............................................................................................12.设计........................................................................................................32.1介绍对象（风力发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究）.............................................................................................................32.2控制系统方案...............................................................................32.2.1风力机最大功率点跟踪原理...............................................32.2.2风力机发电系统..................................................................62.2.3风速变化时的系统跟踪过程.............................................113.硬件设计..............................................................................................134.软件设计..............................................................................................165.仿真或调试.........................................................................................17参考文献.................................................................................................1934511.控制功能设计要求1.1任务能源与环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题而传统能源已被过度消耗,因此,可再生能源的开发利用越来越受到重视和关注,其中风能具有分布广、储量大、利用方便、无污染等优点是最具大规模开发利用前景的新能源之一。目前,变速恒频风力发电系统已经广泛用于实际风机中,在低于额定风速的情况下根据风速变化的情况调节风机转速,使其运行于最优功率点,从而捕获最大风能;在高于额定风速时,通过对桨距角的调节,使风机以额定功率输出。常用最大功率捕获方法主要有功率反馈法、模糊控制法、混合控制法等。为了充分利用风能,提高风电机组的发电总量,本文分析风机特性及最大功率点跟踪(maximumpowerpointtrackingMPPT)工作原理。众多的MPPT实现方法各有千秋，对于不同的应用场所各有所长，对于多种方案，需要进行大量细致的实验工作和数据分析。风能是一种具有随机性、不稳定性特征的能源，风能的获取不仅与风力发电机的机械特性有关，还与其采用的控制方法有关。在某一风机转速情况下，风速越大时风力机的输出功率越大，而对某一风速而言，总有一最大功率点存在。只有当风力发电机工作在最佳叶尖速比时，才能输出最大功率。好的控制方法可使风轮的转速迅速跟踪风速变化，使风力发电机始终保持在最佳叶尖速比上运行，从而最大限度地获得风能。要保证最大限度地将捕获到的风能转化为电能，目前一般采用最大功率点追踪控制(MPPT)控制策略。最大功率点跟踪(MPPT)是在可变风速条件下提高风力机能量转换效率的有效方法。2变速风电系统目前一般采用最大功率点追踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)的控制策略。2.设计2.1介绍对象（风力发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究）双馈风力发电系统最大功率点跟踪通常基于实验测定的最佳风速．功率一转速曲线，但在长期运行中系统参数的变化会使实际最大功率点偏离原曲线，影响最大功率跟踪效果。在分析风力机特性、双馈风力发电机数学模型及功率关系的基础上，提出了一种以向电网输出电能最大为目标、不依赖最佳风速．功率．转速曲线的最大功率点跟踪策略，实现了定子输出有功、无功解耦控制。仿真和实验证明，基于该方法，双馈风力发电系统在风速变化过程中能自动寻找并跟随最大功率点，且控制相对简单，运行可靠，有较高的实用价3值。2.2控制系统方案根据贝茨理论，风力机从风中捕获的功率为其中ρ表示空气密度，β表示桨距角，表示风力机的风能利用系数，R是风轮的半径，ν表示风速，λ表示叶尖速比，ω为风力机的角频率（rad/s）。风能利用系数与叶尖速比之间的关系如图2-1所示。图2-1由上图可见，风能利用系数随着叶尖速比λ的变化而变化。当时，即为风能利用系数的最大值。而叶尖速比，在风速变化时，相应地调节风轮的转速就可以将叶尖速比维持在处，此时风能利用系数为最大值，风力机对风能的捕获量最大，即运行在最大功率点上。在不同的风速下，风力机的输出功率与风轮转速的关系，如图2-2所示，其中，P表示风力机的输出功率，ω表示风轮的转速，ω1、ω2、ω3分别为风力机在风速为υ1、υ2、υ3时相应于最大输出功率P1、P2、P3的风轮转速。由图2-4可以看出，在风速一定的情况下，输出功率随着风轮转速的变化而变化，其中存在着一个与最大功率点相对应的叶尖速比，此时的风能利用系数为最大值。在风速发生变化时，风力机最大功率点所对应的风轮转速也不同。把不同风速下的风力机输出最大功率点相连，将得到一条曲线即为风力机的最大功率曲线。为了提高风力机的效率，在风速发生改变时，就必须对风力机实行变速控制，使其始终运行在最大功率曲线上。在风速变化时，通过调节风力机的转速，将叶尖速比维持在处，以确保风力机运行在最大功率曲线上,即为对风力机最大功率点的跟踪控制原理。4图2-2风力机输出功率与转速的关系图2-3为风速变化时，变速风力机对最大功率点的跟踪过程。在风速为ν1时，风力机运行于A点，为了追踪最大功率点B，需要增加风力机风轮的转速ω。图2-3风力机工作点的变化当ω=ω1时，风力机运行于B点，A→B的变化过程即为变速风力机在风速ν1下,对最大功率点B的追踪过程。当风速从ν1增加到ν3时，风力机的运行状态将从B点跳变到C点，同样为追踪该风速下的风力机的最大功率点，需要增加风力机转速ω，当ω=ω3时，风力机运行于对应风速ν3下的最大功率点D点，C→D的变化过程即为变速风力机在风速ν3下,对最大功率点D的追踪过程。同理，当风速从ν3下降到ν2时，风力机的运行状态从D点跳变到E点，而E点位于风速为ν2时的风力机的最大功率点F点的右侧，所以应该减小风力机的转速ω直到ω=ω2，此时风力机运行在最大功率点F点。E→F的变化过程是风力机在风速为ν2时，对最大功率点的追踪过程。以上即为变速风力机在风速发生变化时对最大功率点的跟踪过程。双馈风力发电机数学模型及能量关系同步旋转坐标系下的DFIG矢量方程双馈电机在三相静止ABC坐标系是一个多变量、强耦合、非线性高阶系统。经过三相静止到两相旋转坐标变换后，同步旋转坐标系下的DFIG矢量模型如式（3）和式（4）所示。u3=Rsis+pψs+jω1ψsur=Rrir+pψr+jω3ψr(3)Ψr=Lmis+Lrirψs=Lsis+Lmir(4)式中us,ur——定转子端电压矢量；is,ir——定转子绕组中的电流矢量；ψs,ψs——定转子绕组中的磁链矢量；5ω1——\uf031发电机的同步角速度；ωs——转差角速度；Lms——定子互感；Lls——定子漏感L1r——转子漏感。且Lm=1.5Lms；Ls=Lls+Lm；Lr=Llr+Lm。根据式（1）和式（2）可得矢量形式的等效电路如图1所示。图1DFIG矢量形式的等效电路由于定子电压受到电网钳制，频率、幅值、相位基本不变，因此可忽略定子磁链动态变化过程，将电压方程式（4）降阶为式（6）。Us=Rsis+jω1ψsur=Rrir+pψr+jωsψr（6）式（6）可作为变速恒频双馈电机风力发电矢量控制依据，按照不同的定向方式可以得到不同的控制方案。DFIG运行时的功率分析双馈电机由励磁电源和电网两边向电机供电，由图4和式（4）可得绕线式双馈电机输入总有功功率为P=Ps+Pr=Re[usis]+Re[urir]=RSis2+RrIr2+Re[Pψsis+Pψrir]+Re[jw1ψsis+jw1ψrir]=Pcu+Pf+Pe(8)6式中Ps——定子输入功率；Pr——转子输入功率；Pcu——定转子总的铜耗；Pf——磁场变化引起的功率变化；Pe——电磁功率。而电磁功率Pe由定子电磁功率Pes和转子电磁功率组成，将其展开为dq轴形式，可得Pe=Pes+Per=Re[jw1ψsis+jw1ψrir]=w1Lm(irdisq-irqisd)-wsLm(irdisq-irqisd)=npwrLm(irdisq-irqisd)（9）将式（8）代入式（9）可得Pmech=npωrLm(irqisd−irdisq)（10）系统次同步和超同步状态下的功率流动关系如图4所示。78图4双馈电机的功率流动关系Pes:Per:Pmech=(1/(1-s)):(s/(1-s)):1式中s——转差率。由上式可见，在输入机械功率保持恒定时，转速的变化将直接改变定、转子输入的能量大小和流向。降低转速，定子输出功率一定增大，但同时转子也吸收更多的功率；提升转速，定子输出能力下降，但是转子吸收功率也相应减少甚至向电网馈送能量。因此双馈风力发电系统最大功率点追踪，就是要在一定风速下使定子与交流励磁电源总输出功率Pout最大。Pout与Pmech关系如下：Pout=Pmech-Pcus-Pcur-Ploss=Pmech-Rs(isd2+isq2)−Rr′(ird2+irq2)（12）式中ploss——变频器损耗；Rr′——变频器损耗折合到转子侧后总的转子等效电阻。所以在某一风速下须跟踪的最佳转速点并不是风能最大点对应的转速ωa，而是总输出功率最大点对应的转速ωb。且由于铜耗是电流的函数，因此总输出功率的大小及其对应的最佳转速不仅与有功电流有关而且与定子对电网进行无功补偿时输出无功功率的大小也有关系，但其单峰特性不变。输入机械功率Pmech扣除损耗后，可得到如图5所示的输出电功率Pout曲线，其中Qout=0。由图3和式（4）可得绕线式双馈电机输入无功功率关系Qs+Qr=Im(jω1ψsis)+Im(jωsψrir)可化简得sQs+Qr=wsLsis2+wsLrir2=2wsLmisircosθ（13）式中θ——定、转子矢量的夹角。9图5机械功率与DFIG输出总功率关系图由式（13）可见，定、转子共同向电机提供无功功率，其大小与定、转子电流及电机电感量有关。当定子单位功率因数发电时，电机所需的无功功率全部由转子电源提供；当定子向电网补偿容性无功时，转子不但要提供电机的无功功率而且需要提供额外的无功给定子作为补偿输出。但是转子变换器由于直流环节的存在，其电机侧无功Qr和网侧的无功Qg是解耦的，因此仍能保证输送到电网总的无功功率为零或者作容性补偿，其最大补偿量由转子励磁电源容量决定。综上所述，可以设计系统转速外环和无功功率外环，再结合所设计的转子内环控制器，可以实现转速与定子无功功率解耦控制，系统整体结构如图6所示。图6双馈电机定子电压定向最大功率点跟踪控制结构框图102.2.3风速变化时的系统跟踪过程在实现了转速、无功解耦控制的基础上，再利用输出总功率特性曲线的单峰特性，实现最大功率点跟踪。具体算法如下：系统从进入追踪状态时刻的初始转速开始工作，然后每个循环主动地增大或减小一个指令步长。如果本次输出总功率大于上次功率，则继续保持调节方向；否则就改变调节方向。以图7为例说明风速变化时系统工作状态。在双馈风力发电系统柔性并网后，并不向电网输出功率，所以起始工作点为A。然后切换到最大功率点跟踪策略，转速降低且功率增大，工作点自动调节到B附近。当风速突然减小时，由于风力机转动惯量较大，转速不会突变，工作点从B下降到C而功率突减。此时系统会主动调节转速，自动寻找功率增大的方向，并最终逐渐运行到D点。反之，当风速增大时，工作点由D上升到E，转速不变功率突增，然后系统再追踪功率增大的方向，运行到F，稳定在最大功率点附近。图7在风速变化时的系统跟踪过程113.硬件设计如图所示的拓扑结构中采用三相不控二极管整流桥，由于缺乏励磁控制，永磁电机产生与电机转轴速度成比例的电动势。因此为了得到最佳的空气动力学上的效率，风力机转速要与风速成正比变化。而永磁电机和二极管整流器系统是完全不可控的，所以要通过Sepic变换器或者逆变器控制永磁电机发出的电能来实现对电磁转矩的控制，以得到理想的运行速度。本节主要研究Sepic变换器的特性。图8为双重Sepic变换器的拓扑结构电路图。双重Sepic变换器是由两个结构和参数相同的单重Sepic变换器(见图8)并联组成。（a）12（b）图8变换器的拓扑结构首先分析单重Sepic变换器输入电压U1和输出电压U0的关系：如图8所示：在该电路中稳态时电感L1和L2的电压在一个周期内都为零。在开关管V处于通态的时间ton，有：UA=0；UB=UC1−。在开关管V处于断态的时间toff，有：UA=UC1+U0；UB=U0。因此，A点在一个开关周期内的平均电压为：又因为电感L1的电压在一个周期内为零，所以B点在一个开关周期内的平均电压为又因为电感L2的电压在一个周期内为零，所以可得：13式中,ton为开关管处于通态的时间；toff为开关管处于断态的时间；T为开关周期;α为导通占空比,变化范围为[0,1]。由式3.6可知：在U0不变的条件下，调节PWM触发脉冲的占空比α大小，就可以控制U1的大小，进而调节发电机的转速以及风力机的转速，实现风力机的变速运行。双重Sepic变换器输入电压U1和输出电压U0的关系与单重Sepic变换器输入电压U1和输出电压U0的关系相同。双重Sepic变换器是由两个触发脉冲互差1/2开关周期的单重Sepic变换器并联组成，当两个单重Sepic变换器的输入电流相叠加后，电流值峰谷相错而合成较平滑的输入总电流，此电流的平均值是每个单重Sepic变换器电流平均值的2倍，电流谐波频率也是单重Sepic变换器的2倍，然而电流脉动幅值却降低到单重Sepic变换器的1/2倍。由此可见，变换器的双重化可以有效地减小电流的谐波、降低电机的转矩脉动，从而可以在稳定状态时，减小风力机输出功率的波动量（对此后面将给出仿真结果予以证实）；同时并联的两个Sepic变换器可互为备用，若其中的一个变换器发生故障，另一个可以继续运行，使得整体的可靠性得以提高。144.软件设计5.为了验证控制策略的有效性，分别进行了仿真和实验研究，使用参数为：双馈电机额定功率P=3kW，定子连接方式Y接，电阻1.35Ω，漏感9.04mH；转子连接方式Y接，电阻1.45Ω，漏感9.04mH；励磁电感258.5mH；参数均折算到定子侧。5.1仿真结果15为验证最大功率点追踪性能，系统在1400r/min时并网，然后进行最大功率点追踪，最后稳定在720r/min左右略有波动，总输出功率达到最大1200W，如图8a所示。为了考察在不同转速下的有功功率分配情况，在并网后使电机在2000～500r/min范围内连续调速，无功给定为零。图8b上图为转速曲线，中间为总损耗曲线，下图虚线为Pmech，实线为Pout。可以看出Pmech和Pout之间存在差值，即损耗功率，且呈二次曲线扩大。如果采用Pmech最大为追踪目标，则系统对应速度为1000r/min，实际输出功率为1550W，而直接以Pout最大为追踪目标，系统对应速度为1100r/min，输出功率为1670W。如果增大系统功率，则两者差值也会相应增大。该仿真验证了以总输出功率Pout作为最大功率点跟踪目标的正确性。图8c为转速给定从1300r/min变化到1100r/min时的转速响应曲线。仿真结果表明，该系统具有良好的动态性能和静态控制精度。图8最大功率点跟踪波形16[1]赵争鸣，刘建政，孙晓英等.风力发电及其应用.北京：科学出版社，2005.[2]赵为.风力机并网发电系统的研究：[博士学位论文].合肥：合肥工业大学，2002.[3]王长贵.新能源和可再生能源的现状和展望.风电产业发展论坛论文集，2003，9：4～17[4]王长贵，崔容强，周篁.新能源发电技术.北京：中国电力出版社，2003.[5]林安中，王斯成.国内外风力发电的进展与前景.太阳能学报，1999（特刊），68～74[6]（美）汉斯S劳申巴赫.风能原理及其应用.北京：宇航出版社，1987[7]安玉彬，刘旭东，田用春.二十一世纪中国能源发展的总趋势.能源工程，1999，1：1～4[8]陈哲艮.我国风能发电技术面临的问题和对策.能源工程，1999，1：5～7[9]高峰，孙成权，刘全根.我国风能开发利用的现状和建议.能源工程，2000，5：8～11[10]马胜红，赵玉文，王斯成等.风力发电在我国电力能源结构中的战略地位和未来发展方向.风能，2005，4：12～13[11]李安定.风力机发电系统工程.北京：北京工业大学出版社，2001.[12]欧阳名三.风力机发电系统中蓄电池管理的研究：[博士学位论文].合肥：合肥工业大学，2004[13]王超.独立运行风力机发电系统控制器的研究与设计：[硕士学位论文].杭州：浙江大学，2004[14]胡宇航.风机并网系统逆变器接口装置的控制方法研究：[硕士学位论文].武汉：武汉大学，200417[15]吴杰.风机并网独立供电两用逆变电源的研究：[硕士学位论文].合肥：合肥工业大学，2005',)