【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? 001 [] Tdc dcd q d qd u ud d d i i id t C R C?????? 三、 機(jī)組控制 策略及模型 最大風(fēng)能跟蹤控制策略 為了盡可能提高風(fēng)能利用率，近年來(lái)，人們還廣泛研究了風(fēng)能的最大功率跟蹤控制。下面針對(duì)最常見(jiàn)的幾種最大風(fēng)能捕獲方法，即葉尖速比控制、功率信號(hào)反饋控制和爬山搜索算法控制等做一個(gè)綜合概述。 (1)最佳葉尖速比法 葉尖速控制的目的就是維持葉尖速比在最佳特性曲線(xiàn)上，這樣在任何風(fēng)速下，都能夠獲得最大功率。如圖所示，在該系統(tǒng)中，需要測(cè)量風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，作為控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，通過(guò)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得最佳葉尖速比的特性曲線(xiàn)。該控制器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，要求測(cè)量的風(fēng)速需要與作用在槳葉上的風(fēng)速有良好的關(guān)聯(lián)性。 但是，風(fēng)速必須在到達(dá)槳葉之前就測(cè)量出來(lái)，由于風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，使周?chē)諝猱a(chǎn)生很大的擾動(dòng)，因此風(fēng)速傳感器必須裝在遠(yuǎn)離風(fēng)力機(jī)的地方，而這樣測(cè)得的風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)安裝處的風(fēng)速就有了一定的誤差，影響系統(tǒng)的精度。此外從風(fēng)速傳感器取得的風(fēng)速信號(hào)還必須能反映風(fēng)力機(jī)跟蹤風(fēng)向的偏差，否則又會(huì)造成誤差；而且風(fēng)速在整個(gè)槳葉掃掠面積上是不一致的，所以做到這一點(diǎn)非常困難。此外最佳葉尖速比的特性曲線(xiàn)對(duì)于不同的發(fā)電系統(tǒng)也不一樣，使葉尖速比控制較多的依賴(lài)于風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的特性曲線(xiàn)。所以這種方案看似簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻相當(dāng)?shù)睦щy。 綜上所述， 這種控制方 案的主要特點(diǎn)有 ： 1)控制方法簡(jiǎn)潔清晰，可使風(fēng)力機(jī)工作在最大功率點(diǎn)，能量轉(zhuǎn)換效率較高 。 2)需要知道風(fēng)力機(jī)的功率特性，以確定最佳功率負(fù)載線(xiàn) 。 3)需要知道風(fēng)力機(jī)特性和安裝風(fēng)速測(cè)量裝置，導(dǎo)致成本增加，系統(tǒng)可靠性降低，而且不同系統(tǒng)存在不同的 葉 尖速比值 。由于系統(tǒng)依賴(lài)風(fēng)力機(jī)特征參數(shù)，導(dǎo)致需要對(duì)通用設(shè)計(jì)控制軟件進(jìn)行適當(dāng)變化以應(yīng)用于特定的風(fēng)力機(jī) 。 4)槳葉迎風(fēng)面的風(fēng)速難以準(zhǔn)確測(cè)得，影響控制精度 。而且該方法對(duì)風(fēng)速變化比較敏感，導(dǎo)致輸入電網(wǎng)功率的波動(dòng)較大 。最佳葉尖速比由風(fēng)機(jī)廠(chǎng)家的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求得，而其會(huì)隨環(huán)境因素而變化， 限制了 該方法的控制精度。 (2)功率信號(hào)反饋法 功率信號(hào)反饋控制需要采用查表法或者需要預(yù)先知道轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)的輸出功率之間關(guān)系。功率信號(hào)反饋控制的原理如圖所示。 假設(shè)原來(lái)在風(fēng)速 V1 下風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在最佳功率曲線(xiàn) P1 上，對(duì)應(yīng)著該風(fēng)速下的最佳轉(zhuǎn)速 ω 1， 此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的功率等于風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率乘以系統(tǒng)效率。如果某一時(shí)刻風(fēng)速突然升高到 V2，風(fēng)力機(jī)獲得的功率就會(huì)由點(diǎn) P1 躍變至 P2，由于大的機(jī)械慣性作用和控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程滯后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速仍然運(yùn)行在ω1 點(diǎn)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率大于發(fā)電機(jī)輸出的功率，功率的不平衡，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高。在這個(gè)變化過(guò)程中，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)將分別沿著風(fēng)速 V2 下的功率曲線(xiàn)軌跡運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行至發(fā)電機(jī)功率曲線(xiàn)和最佳功率曲線(xiàn)的交點(diǎn)時(shí)，功率將重新達(dá)到平衡。此時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在對(duì)應(yīng)于該風(fēng)速下的最佳轉(zhuǎn)速ω 0， 發(fā)電機(jī)輸出的最佳功率為 P0。同理，也可以分析風(fēng)速?gòu)母叩降妥兓?，最大風(fēng)能捕獲過(guò)程和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程。其控制的基本結(jié)構(gòu)如 下 圖所示。 由于該系統(tǒng)中要取得風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率信號(hào)比較困難，因此在實(shí)際電路中可以用發(fā)電機(jī)輸出的電功率來(lái)代替，但是這個(gè)方案并 不能保證風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以下整個(gè)運(yùn)行的風(fēng)速范圍內(nèi)均能按最佳葉尖速比或最大功率運(yùn)行。由于發(fā)電機(jī)的輸出功率效率不可能在一個(gè)很大的運(yùn)行風(fēng)速范圍和功率變化范圍內(nèi)保持不變，所以也就必然會(huì)偏離最大功率（同時(shí)也偏離最佳葉尖速比）運(yùn)行。特別是在較低風(fēng)速段，由于發(fā)電機(jī)效率下降很快，離最大功率運(yùn)行更會(huì)相差甚遠(yuǎn)。因此該方法實(shí)施起來(lái)也比較困難。 綜上所述， 它的主要特點(diǎn)有 : 1)控制方法同樣簡(jiǎn)潔清晰，可使風(fēng)力機(jī)工作在最佳功率負(fù)載線(xiàn)附近，從而有效提高了整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率 。 2)不需要知道確切的風(fēng)力機(jī)功率特性，只需要了解 Cp， λ 兩個(gè)特征參數(shù)和最佳功率負(fù)載線(xiàn)對(duì)應(yīng)的功率、轉(zhuǎn)距關(guān)系即可 。 3)不需要測(cè)量風(fēng)速裝置，功率可以方便解算，但需要知道風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速 。 4)對(duì)于不同的風(fēng)力機(jī)，最大功率曲線(xiàn)需要事先通過(guò)仿真或試驗(yàn)測(cè)得，這增加了功率反饋控制難度和實(shí)際應(yīng)用成本。 (3)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法 風(fēng)速一定，風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為最優(yōu) 轉(zhuǎn)矩。若已知最優(yōu)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 —— 轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，使得發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)跟蹤此最優(yōu)曲線(xiàn)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行在最大風(fēng)能捕獲點(diǎn)。該方法避免了風(fēng)速的檢測(cè)，但需要風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的信息，同時(shí)還需已知最優(yōu)轉(zhuǎn)矩 曲線(xiàn)。同樣，該方法也有以下缺點(diǎn) : 1)最佳轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)由風(fēng)機(jī)廠(chǎng)家的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而成，會(huì)隨環(huán)境因素而變化，限制了該方法的控制精度 。 2)需己知發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩值，若增加轉(zhuǎn)矩傳感器，將導(dǎo)致系統(tǒng)成本顯著增加 。若由轉(zhuǎn)矩公式求得該信息，則該方法將會(huì)對(duì)電機(jī)參數(shù)有很強(qiáng)的依賴(lài)性。 (4)爬山搜索法 爬山搜索法的基本原理如圖 38 所示。該方法無(wú)需測(cè)量 風(fēng)速，也不需要事先知道具體風(fēng)力機(jī)的功率特性曲線(xiàn)，而是施加人為的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)，然后通過(guò)測(cè)量功率的變化來(lái)自動(dòng)搜索發(fā)電機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速點(diǎn)。其追蹤最大風(fēng)能的原理：計(jì)算當(dāng)前風(fēng)力機(jī)的功率 Pt(n)，并和上個(gè)控制周期的風(fēng)力機(jī)功率 Pt(n? 1)比較，如果功率下降，那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng)值 dω反號(hào)，否則保持其符號(hào)不變。最后將當(dāng)前的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)值和上個(gè)周期的轉(zhuǎn)速指令相加就得到新的轉(zhuǎn)速指令值。也就是說(shuō)，當(dāng)風(fēng)機(jī)的功率一直增加時(shí)，保持轉(zhuǎn)速指令增加（或減?。┑姆较虿蛔儯?dāng)風(fēng)力機(jī)的功率減小時(shí)，原來(lái)轉(zhuǎn)速指令在增加的就要變成減小，原來(lái)轉(zhuǎn)速指令減小的就要變 成增加，即將轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng) dω反號(hào)。 上圖 給出了爬山搜索法基本控制方案，爬山搜索控制方法是一種局部搜索算法，該方法的實(shí)現(xiàn)途徑是通過(guò)嘗試小幅度增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)判定功率變化趨勢(shì)，進(jìn)行轉(zhuǎn)速的最優(yōu)點(diǎn)搜索過(guò)程。如圖所示，如果系統(tǒng)工作在左半部分，計(jì)算當(dāng)前的功率值，并和上個(gè)控制周期的功率進(jìn)行比較，如果功率下降，則將轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng)值反號(hào)，下次將沿相反的方向運(yùn)行。如果功率一直增加，保持轉(zhuǎn)速指令的擾動(dòng)方向不變。若系統(tǒng)進(jìn)入右半部分，則變化趨勢(shì)與左半部分相反。在控制過(guò)程中，為了提高系統(tǒng)的精度，通常采樣周期取的比較小。顯然，在風(fēng) 輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較小的時(shí)候，爬山搜索方法有較好的效果。但當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大時(shí)，這種方法就不能令人滿(mǎn)意了。 在高功率風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，由于風(fēng)機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其瞬態(tài)過(guò)程不能忽略，爬山搜索法在進(jìn)行下一步的搜索過(guò)程中，需要等待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后才能繼續(xù)，這將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)速度較慢，影響系統(tǒng)的控制性能。 永磁同步電機(jī)的控制 永磁同步電機(jī)的控制方法有很多種，其中，直軸電流 id = 0的方法是比較常用的一種。即 當(dāng)永磁同步電機(jī)定子電樞電流的直軸分量在控制過(guò)程中始終等于 0，此時(shí)， 永磁同步電機(jī)的電壓簡(jiǎn)化為 ud = ?ωrLqiq uq = Rsiq + ωrLmdif 直軸 電流 id等于 0，相當(dāng)于等效直軸繞組開(kāi)路不起作用。因此，如果不考慮定子直軸電壓分量，僅僅從交軸電壓方程來(lái)看，永磁同步電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī) 。 定子電樞繞組中只有交軸電流 iq； 勵(lì)磁磁鏈等于轉(zhuǎn)子永磁磁極產(chǎn)生的磁鏈且恒定不變 ； 等效交軸繞組中的勵(lì)磁電勢(shì)與轉(zhuǎn)子角速度成正比，所以電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電樞電流成正比， 即 Te = Pnψfiq。 從而 對(duì)電機(jī)的控制就變得十分簡(jiǎn)單。 除此之外，還有 cosψ= 1（單位功率因數(shù)）和磁鏈恒定的控制方法，其主要不同在于給定的電流參考大小有所不同，如下表： 表一 三種永磁電機(jī)控制方法的區(qū)別 模式 id＝ 0 cosφ = 1 磁鏈恒定 id 0 {?ψf +[ψf2 ?4(Ld ? Lq)LqIa2]12}2(Ld ?Lq) {?Ldψf + [Ld2ψf2 ?(Ld2 ?Lq2)Lq2Ia2]12}Ld2 ?Lq2 iq Ia (Ia2 ?id2)12 (Ia2 ?id2)12 上圖中， Ia為相電流峰值。 其中，永磁電機(jī)的控制方框圖如下： 圖 6 永磁電機(jī)控制方法的一般框圖 id = 0的控制方法，其特點(diǎn)主要有： (1)由于定子電流 d 軸分量為 0， d 軸阻尼繞組與勵(lì)磁繞組是一對(duì)簡(jiǎn)單 耦 合的線(xiàn)圈，與定子電流無(wú)相互作用，實(shí)現(xiàn)了定子繞組與 d 軸的完全解 耦 (2)轉(zhuǎn)子磁鏈 ψ、與定子電流 iq 軸分量 解耦 ，相互獨(dú)立 (3)定子電流 d 軸分量為 0，使永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步簡(jiǎn) 化 (4)隨負(fù)載增加，定子電流的增加，由 以上公式 可知，定子電壓矢量和定子電流矢量的夾角將增大，造成同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)降低。 據(jù)此，永磁電機(jī)總的控制框圖如下： id = 0控制方式的方框圖 背靠背拓?fù)淇刂瓶?