双馈风力发电系统MPPT控制

电气传动2014年第44卷第3期ELECTRICDRIVE2014VO144NO3双馈风力发电系统MPPT控制赵梅花，范敏，陈军，钟沁宏1洛阳理工学院机电工程系，河南洛阳471023；2上海大学机电工程与自动化学院，上海200072；3中钢集团耐火材料有限公司，河南洛阳471039摘要最大风能跟踪是风力发电系统重要的控制目标。在一定转速下存在一个最佳转速使风机捕获最大风能。将最佳叶尖速比和功率反馈法相结合，提出基于最佳功率一转速曲线的双馈风力发电系统MPPT控制策略，采用一种简单有效的方法获取定子给定最佳功率一转速曲线。然后采用功率闭环实现风机的MPPT控制。该方案避免了复杂的给定功率计算且结构简单易于实现。仿真和实验结果表明系统具有良好的最大风能跟踪性能和稳定性，验证了方案的可行性和正确性。关键词双馈发电机；最佳叶尖速比；最佳转速；最大风能跟踪中图分类号TM315文献标识码AMAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGCONTROLFORDOUBLEFEDINDUCTIONGENERATIONSYSTEMZHAOMEIHUA1,2,FANMIN，CHENJUN3,ZHONGQINHONG21DEPARTMENTOFMECHANICALANDELECTRICALENGINEERING，LUOYANGINSTITUTEOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，LUOYANG471023，HENAN，CHINA；2SCHOOLOFMECHATRONICSENGINEERINGANDAUTOMATION，SHANGHAIUNIVEITY，SHANGHAI200072，CHINA；3SINOSTEELREFRACTORYCO，LTD，LUOYANG471039，HENAN，CHINAABSTRACTMAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGMPPTPERFORMANCEISANIMPORTANTCONTROLTARGETFORWINDENERGYCONVERSIONSYSTEMTHEREISANOPTIMALGENERATORSPEEDALLOWSTHESYSTEMTOCAPTUREMAXIMUMWINDENERGYATACERTAINWINDVELOCITYCOMBININGOPTIMALTIPSPEEDRATIOANDPOWERFEEDBACKMETHOD，THEMPPTCONTROLSTRATEGYFORDOUBLYFEDGENERATIONSYSTEMWASPROPOSED，WHICHBASEDONOPTIMALPOWERSPEEDCURVEASIMPLEANDEFFECTIVEMETHODISGIVENTOOBTAINTHESTATOROPTIMALPOWERSPEEDCURVETHENMPPTCONTROLISACHIEVEDBYUSINGACTIVEPOWERLOOPINTHISSCHEME，COMPLEXCALCULATIONOFGIVENACTIVEPOWERISAVOIDEDANDISEASYTOACHIEVESIMULATIONANDEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEDESIGNEDSYSTEMHASGOODMPPTPERFORMANCEANDTHECONTROLSTRATEGYISFEASIBLEANDCORRECTKEYWORDSDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATOR；OPTIMUMTIPSPEEDRATIO；OPTIMUMSPEED；MAXIMUMPOWERPOINTTRACKING1引言最大风能追踪MPPRR是风力发电的基本问题。在一定的风速下，存在一个最佳发电机转速使得系统捕获最大风能。常用的MPPT方法有N基于最佳叶尖速比控制、功率反馈法和爬山法。爬山法功率采样频率和爬山步长都需根据系统实际情况经反复试验选取。最佳叶尖速比控制需要测量风速，在风电现场使用较为不便。功率反馈法缺点是输出最佳功率一风速曲线很难获得，文献34从定子功率优化的角度，利用系统稳态功率平衡的关系来获取定子侧有功功率的最佳给定值，但由于风机和DFIG的损耗难以准确估算，风机实际工作在“次最佳状态”。本文将基于风力机最佳叶尖速比和功率反馈法相结合，提出一种基于最佳功率一转速曲线的MPPT控制策略。首先对DFIG采用转速、电流双闭环控制，并控制其工作于最佳叶尖速比基金项目上海大学创新基金SHUCXL2O098作者简介赵梅花1966一女，副教授，博士研究生，EMAILZHAOMH2013126CON32赵梅花，等双馈风力发电系统MPPT控制电气传动2014年第44卷第3期。VR，测出一定风速范围内风机的最佳功率一转速曲线。将测得的最佳功率一转速曲线应用于基于功率闭环控制的双馈风力发电系统，实现系统的MPPT控制。该方案的特点是采用实验方法测出风力机的最佳功率一转速曲线，避免了复杂的最佳给定有功功率的计算，采用不需检测风速的功率闭环实现风机的MPPT控制。仿真和实验验证了控制方案的可行性和正确性。2风机运行特性根据贝茨BETZ理论，风机捕获风能PID为PIDO5CP，ZPXRV1式中P为空气密度；R为叶片半径；V为风速。C，为风能利用系数，是桨叶节距角和叶尖速比的函数，它反映了风机将风能转化为机械能的效率。叶尖速比由下式定义五RCOV2定桨距固定条件下，本文被模拟风机的CP曲线由图L所示。图1风机的C特性曲线FIG1CCHARACTERISTICCULVEOFWINDTURBINE由图1可知，在某一风速下，存在一个最佳转速，使风机叶尖速比达到最佳。，此时CCP一，由式1可知此时风机捕获的风能最大。在某一风速下，调节发电机转速，使风机运行于最佳转速09。，即可实现最大风能捕获。3功率反馈MPPT原理图2为定桨距风机PIND，1，曲线。现以图2阐述功率反馈法实现MPPRR控制的过程及原理。由图2知，风机在每一风速下均存在一个最佳工作点如，B，C，将一定风速范围内的最佳工作点连接起来构成风机最佳功率一转速曲线。当风机运行于上时，风机捕获最大风能。毫一1。一图2定桨距风机户，V曲线FIG2THEPDCO，VCHARACTERISTICEULWESOFWINDTURBINE设风速为V。时系统稳定运行于点，风机捕获风能PIA和风机输出机械功率P。均为。当风速增大为V时，风机工作点由A点跳变为D点，P砌由跳变为PD。由于发电机惯性，P。H仍为，此时PINDPCH，发电机转速上升，风力机和发电机将分别沿着功率一转速曲线的DB轨迹和最佳功率曲线的AB轨迹运行。当分别运行至功率一转速曲线和最佳功率曲线的交点日时，功率重新达到平衡，此时发电机稳定运行于对应于风速V下的最优转速，风机捕获最大功率。同理也可分析风速从变为2时的MPPT过程。4最佳功率一转速曲线的获取功率反馈法的目标是控制P。运行于风机最佳功率转速曲线尸0。上，而DFIG功率闭环的控制对象是定子有功功率P1，所以必须首先寻找二者的关系。采用发电机惯例，将包括风轮、发电机转子所组成风力机组传动链的机械参数归算到发电机侧，可将传动机构近似看做一个刚体，根据功率平衡原理JPINECH一一OGJ尸L尸C尸F3式中P1为DFIG定子输出有功功率；，分别为传动机构惯性时间常数和摩擦转矩；P，尸C分别为DFIG铁耗和定、转子铜耗。由式3可得系统稳态时功率关系P1P。CH一PF。一4从式4可知，在最大风能跟踪过程中要使P。H按照P。规律变化，必须相应地改变定子有功功率给定P。一般获取P的方法是通过优化计算获得口。利用式4及PC中定子电流与JP的关系得到一个关于P的二次方程，然后求其极值作为P，。但这种实时计算P的方法一是增大了单片机的运算量，二是系统摩擦损耗和DFIG33电气传动2014年第44卷第3期赵梅花，等双馈风力发电系MPPT控制铜耗、铁耗很难准确计算。本文采用实验方法，测出风机在一定风速范围内的最佳功率转速曲线，避免了复杂运算。当发电机转速和风速满足最佳叶尖速比时，砌JP。N，风机捕获最大风能。若以发电机转速为系统控制目标，采用如图3所示的转速闭环控制策略B，在定子无功功率恒定的情况下，控制电机转速与模拟风机的给定风速满足最佳叶尖速比，此时测得的P不仅满足式4中与PO。的关系，也包含了系统各种损耗的影响。在一定风速范围内连续测量得到与风机最佳功率一转速曲线P。对应的发电机定子给定功率一转速曲线P。避免了复杂的运算和系统损耗的影响。黾网图3发电机转速闭环矢量控制策略FIG，3SPEEDCLOSEDLOOPVECTORCONTROLSTRATEGYOFGENERATOR5MPPT控制策略将所测得的最佳功率一转速曲线P用于发电机的功率闭环控制如图4所示，通过电机转速可快速查表获得P，以获得最大风能跟踪。34电网图4功率反馈MPPT控制策略FIG4MPPTCONTROLSTRATEGYBASEDONPOWERFEEDBACK6仿真及结果分析搭建双馈风力发电系统仿真模型，用绕线式异步电机一直流电机机组代替双馈发电机组，直流机模拟风机特性。仿真参数如下异步机额定功率3KW，定子额定电压380V50HZ，同步转速L1500RMIN；直流电机额定功率3KW，额定转速L500RMIN，额定电压220V，额定电流175A，励磁电压220V，励磁电流056A；直流母线电压250V。风速变化时系统响应如图5所示。三L0OL一星513。咕_10L一50。咕寸广之_一LOI一L一15R转速响应10一曼5咕F_一2。000_一一一一一SB功率响应图5系统风速变化响应FIG5SYSTEMRESPONSETOWINDVARIATION图5为风速变化时系统的响应曲线。风速在1S时开始以1MS的斜率由9RRGS上升至11MS，又以同样的斜率在5S时开始下降至10MS。图5A从上到下代表的物理量依次为满足最大风能跟踪的给定转速、发电机的实际转速、母线电压、实际风能利用系数。图5B从上到下代表的物理量依次为风速、风机轴上输入功率、发电机输出功率、A相输出电流。仿真结果表明在允许风速范围内的每一风速下，系统能很好地实现最大风能跟踪。7实验及结果分析实验室用直流机一绕线式异步机机组搭建双赵梅花，等双馈风力发电系统MPPT控制电气传动2014年第44卷第3期馈风力发电系统实验平台结构如图6所示。实验参数同仿真。采用INFINEONXC2785作为系统的主控芯片，网侧变换器PWM频率10KHZ，转子侧变换器PWM频率5KHZ。图6双馈风力发电系统实验平台结构FIG6THESYSTEMEXPERIMENTALPLATFORMOFDOUBLYFEDWINDPOWERGENERATION采用图3所示的转速闭环矢量控制策略，在F一3A此时Q1一1080WR情况下测得912MS风速范围内系统的实验波形如图7图9所示。2恪图7风速改变时转速响应波形FIG7SPEEDRESPONSETOWINDVARIATION嚣2S借图8风速改变时直流母线电压响应FIG8DCLINKVOLTAGERESPONSETOWINDVARIATIONL嘉需图9定子功率给定一转速曲线FIG9GIVENSTATORPOWERSPEEDCURVE将图9所测曲线用于图4所示的功率反馈MPPT控制策略，实验波形如图10所示。鞋胃塞重量目芒目晕只。一，NTS1锵图1O厉【速改变时功率响应波形FIG10ACTIVEPOWERRESPONSETOWINDVARIATION图7表明当风速改变时，发电机转速有快速跟踪响应能力，使发电机运行于该转速下的最佳转速，实现最大风能跟踪。由图8可知当风速改变时，直流母线电压基本保持恒定，保证整个系统的稳定运行。图9是用实验方法测得的定子最佳功率给定一转速曲线P图10表明了发电机输出功率随风速变化的跟踪能力。实验结果验证了控制方案的可行陛和正确性。8结论本文将最佳叶尖速比和功率反馈法MPPT控制相结合，提出基于最佳功率一转速曲线的MPPT控制策略。采用实验方法测得发电机定子给定功率一转速曲线并应用于功率闭环矢量控制策略，避免了复杂的实时运算，克服了系统损耗对最大风能跟踪性能的影响。实验结果表明系统能在变风速情况下实现最大风能跟踪。参考文献1吴政球，干磊，曾议，等风力发电最大风能追踪综述J电力系统及其自动化学报，2009，21488932DATTAR，RANGANATHANVTAMETHODOFTRACKINGTHEPEAKPOWERPOINTSFORAVARIABLESPEEDWINDENERGYCONVERSIONSYSTEMJIEEETRANSACTIONSONENERGYCONVERSION，2003，181