【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)（同步發(fā)電機） ? 發(fā)電機速度完全與電網(wǎng)解耦 ? 發(fā)電機轉(zhuǎn)矩由直流聯(lián)絡(luò)線控制 ? 通過去除阻尼繞組可以加速控制，減小不期望的低頻拍頻振蕩 ? 通過 PWM技術(shù)可改善諧波 ? 變流器容量至少等于發(fā)電機容量 65 變速發(fā)電系統(tǒng)（雙饋感應(yīng)發(fā)電機） 實現(xiàn)發(fā)電機超同步和次同步工況 ? 控制轉(zhuǎn)子電流幅值和相位，發(fā)電機可運行于任何期望的功率因數(shù) ? 變流器產(chǎn)生的頻率疊加于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率，總合成恒定，變速范圍由饋送到轉(zhuǎn)子的頻率決定，目前可達到 30% ? 變流器容量相對較小 ? 控制系統(tǒng)更為復(fù)雜 66 67 ? 永磁同步發(fā)電機（ PMSG） 特點： ? 結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠 ? 較高的功率質(zhì)量比 ? 不存在勵磁損耗，電機效率提高 ? 永磁材料使得輸出電壓分散 ? 輸出電壓、功率因數(shù)難以控制 ? 永磁材料生產(chǎn)成本較高 68 控制系統(tǒng)研究 ? 明確控制系統(tǒng) 目標 、 功能 和相應(yīng)的 控制策略 ? 各單元控制器（ 功率控制器 、 速度控制器 ）的理論設(shè)計 69 控制目標 ? 運行區(qū)域 區(qū)域一 區(qū)域二 區(qū)域三 區(qū)域四 70 控制目標 ?變化風速下的最大風能捕獲（區(qū)域二） ?以額定功率輸出（區(qū)域三） ?可靠的切入、切出（區(qū)域一、四） ?機械載荷及響應(yīng)的優(yōu)化 ?系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量 區(qū)域一 區(qū)域二 區(qū)域三 區(qū)域四 71 控制功能 ? 最大風能捕獲 ? 額定功率輸出 ? 制動控制 ? 最優(yōu)機械效應(yīng) ? 電網(wǎng)穩(wěn)定性及電能質(zhì)量控制 72 控制策略 功率控制器 速度控制器 73 風力發(fā)電機組控制框圖 控制算法 矢量控制 74 3 風電系統(tǒng)的最大風能捕獲控制 風機從風中吸收的功率與功率系數(shù)和風速的立方成正比。槳距角 β一定時，功率系數(shù) Cp與葉尖速比 λ呈拋物線關(guān)系，其凸點對應(yīng)最大風能捕獲點，此處 λ稱為最佳葉尖速比。 最佳葉尖速比 75 風電系統(tǒng)的最大風能捕獲控制 當 λ固定為最佳葉尖速比時，功率系數(shù)又與槳距角呈拋物線關(guān)系，其凸點對應(yīng)此條件下的最大風能捕獲點，此處 β稱為最優(yōu)槳距角，通常在零度角附近。 思路：控制 β固定為最優(yōu)槳距角；風速變化時，通過控制轉(zhuǎn)速和葉尖速比，直到系統(tǒng)運行在最大風能捕獲點。 76 最佳葉尖速比法 風機的葉尖速比 λ正比于風機轉(zhuǎn)速 Ωm，且反比于風速 v。假設(shè)最佳葉尖速比已知，并且風速可實時準確測得，則可以實時計算出當前風速下風機的最優(yōu)轉(zhuǎn)速（對應(yīng)最大功率輸出點）。控制電磁轉(zhuǎn)矩，使得風機轉(zhuǎn)速趨于此最優(yōu)轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的最大風能捕獲。該方法物理概念明確，實現(xiàn)簡單，但需要實時檢測風速 v和風機轉(zhuǎn)速 Ωm，而且還需要已知最優(yōu)葉尖速比 λopt。以下缺點限制了該方法的應(yīng)用： 77 (1)槳葉迎風面的風速難以準確測得，影響控制精度；而且該方法對風速變化比較敏感，導(dǎo)致輸入電網(wǎng)功率的波動較大； (2)最佳葉尖速比由風機廠家的實驗數(shù)據(jù)求得，而其會隨環(huán)境因素而變化，限制了該方法的控制精度。 針對風速測量精度的問題，可以設(shè)計微型電子的風速、風向傳感器等來改善風速測量精度； 其它措施：通過發(fā)電機輸出功率和風機轉(zhuǎn)速等信息結(jié)合已知的轉(zhuǎn)速 — 功率曲線，對迎風面的風速進行估計，再根據(jù)估計值進行最大風能捕獲控制，提高了控制精度。 78 最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法 風速一定，風電系統(tǒng)運行在 最大功率點 時發(fā)電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩稱為 最優(yōu)轉(zhuǎn)矩 。若已知最優(yōu)風機轉(zhuǎn)速 — 轉(zhuǎn)矩曲線，通過轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，使得發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩實時跟蹤此最優(yōu)曲線，對應(yīng)系統(tǒng)運行在最大風能捕獲點。該方法避免了風速的檢測，但需要風機轉(zhuǎn)速和發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的信息，同時還需已知最優(yōu)轉(zhuǎn)矩曲線。 79 最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法 同樣，該方法也有以下缺點： (1)最佳轉(zhuǎn)矩曲線由風機廠家的實驗數(shù)據(jù)擬合而成，會隨環(huán)境因素而變化，限制了該方法的控制精度； (2)需已知發(fā)電機電磁轉(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，則該方法將會對電機參數(shù)有很強的依賴性。 80 電功率信號反饋法 功率信號反饋方法以直接控制發(fā)電機輸出有功功率為目標。 若不同風速下的最優(yōu)風機轉(zhuǎn)速 — 功率曲線已知，通過發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩直接控制其輸出有功功率跟蹤此曲線可實現(xiàn)最大風能捕獲。 該方法也無需測量風速，但需檢測風機轉(zhuǎn)速和發(fā)電機輸出功率，還需已知最優(yōu)功率曲線。由于發(fā)電機輸出功率可以由其電流電壓值計算得到，因此此方法得到了廣泛的應(yīng)用。為更準確的跟蹤最佳風能點，有研究采用飛輪等裝臵直接測量風力機所獲取的風能，通過調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速而更準確地實現(xiàn)最大風能捕獲。同樣，由于最優(yōu)功率曲線易受環(huán)境變化的影響，該方法的控制精度受到了限制。 81 爬山搜索法 爬山搜索法不依賴于系統(tǒng)參數(shù)，給風機轉(zhuǎn)速人為地加入一個變化量，根據(jù)發(fā)電機輸出功率的變化確定風機轉(zhuǎn)速的控制增量，通過控制發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩使得風機轉(zhuǎn)速趨于給定，反復(fù)執(zhí)行上述搜索策略，直到風電系統(tǒng)運行在最大功率點；由于不同風速下，風機的轉(zhuǎn)速 — 功率曲線呈類拋物線關(guān)系，搜索法通過不斷改變風機轉(zhuǎn)速控制風電系統(tǒng)的運行點沿拋物線變化，直到其最優(yōu)點，該過程形似爬山，因此稱為“爬山搜索法”。根據(jù)搜索步長的不同，該方法又有恒定步長法、變步長搜索法等。 82 爬山搜索法 ????????? llwt ttP ,0,0????????? llwt ttP ,0,0????????? llwt ttP ,0,0????????? llwt ttP ,0,083 ? 考慮風湍流的 MPPT控制結(jié)構(gòu)框圖 84 盡管該方法不需要風機系統(tǒng)的參數(shù)，但是當風機慣性較大的時候，此方法卻很難適用。風力機的輸出機械功率一部分轉(zhuǎn)換為發(fā)電機的輸出電功率，一部分為系統(tǒng)損耗，包括軸上摩擦損耗和定轉(zhuǎn)子電損耗，還有一部分轉(zhuǎn)換為動能儲存在風機槳葉中。對于大慣性風機，改變風機轉(zhuǎn)速時，由于槳葉的緩沖作用，發(fā)電機輸出電功率的變化并不明顯，這些要素導(dǎo)致該方法每一步的搜索過程大大加長，在系統(tǒng)給定搜索時間的限制下，有時甚至無法搜索到最大風能捕獲點。 爬山搜索法 85 １）通過不斷在線存儲最大風能點信息以建立數(shù)據(jù)庫，并用于以后的尋優(yōu)控制中，加快了最大風能追蹤的速度； ２）通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離線訓練，實現(xiàn)了快速的最大風能捕獲控制。 ３）利用其它信息實現(xiàn)最大風能捕獲的方法。如在采用雙饋電機作為發(fā)電機的風電系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)子側(cè)變頻裝臵的直流母線上的功率隨風機轉(zhuǎn)速的變化曲線與風機轉(zhuǎn)速 — 功率曲線相似， ４）通過控制電磁轉(zhuǎn)矩使得直流母線功率輸出最大，從而近似獲得了最大風能的轉(zhuǎn)換。 為解決上述問題，可將智能控制融合到搜索法中： 86 智能最大功率獲取算法 研究智能最大功率獲取算法的原理是“搜索、記憶、復(fù)用”。 首先，為了從風中獲取最大能量，系統(tǒng)必須找到最優(yōu)運行點。 其次，要記錄這些運行點，因為當同樣狀況再次發(fā)生時，系統(tǒng)能快速到達該點，不需要算法重新計算，重新計算需要較長的時間。 第三，記錄的搜索結(jié)果的復(fù)用能改善系統(tǒng)響應(yīng)，提升系統(tǒng)性能。 87 智能最大功率獲取算法原理框圖 88 ? 雙饋感應(yīng)發(fā)電機的 數(shù)學模型 ? 雙饋感應(yīng)發(fā)電機的 穩(wěn)態(tài)分析和靜態(tài)穩(wěn)定問題 ? 雙饋感應(yīng)發(fā)電機的 勵磁控制 ? 雙饋感應(yīng)發(fā)電機的 穩(wěn)定性分析 4. 雙饋感應(yīng)發(fā)電機勵磁控制 及其穩(wěn)定性分析 89 ? 雙饋感應(yīng)發(fā)電機相坐標系中的方程式 ? 同步旋轉(zhuǎn)軸系下雙饋感應(yīng)發(fā)電機方程式 90 91 相坐標系中的方程式 定子： s s s sp??u R i ?r r r rp??u R i ?s s rsss r rrr()T??? ? ? ????? ? ? ?? ? ? ???LL iLL i??磁鏈方程： 轉(zhuǎn)子： r r rs r m r rr r r22c o s c o s ( ) c o s ( )3322c o s ( ) c o s c o s ( )3322c o s ( ) c o s ( ) c o s33rM??? ? ???? ? ???? ? ???????? ? ?????????L92 同步旋轉(zhuǎn)軸系下的方程式 22c o s c o s ( ) c o s ( )332 2 2s in s in ( ) s in ( )3 3 31 1 12 2 2??? ? ???? ? ???????? ? ? ? ? ???????C11c o s s in22 2 1c o s ( ) s in ( )3 3 22 2 1c o s ( ) s in ( )3 3 2?????????????????? ? ? ???? ? ???CPark變換： abc相變量變換到dqo軸系的變換矩陣 逆變換矩陣 93 逆變換矩陣 變換矩陣 22c o s c o s ( ) c o s ( )332 2 2s in s in ( ) s in ( )3 3 31 1 12 2 2??? ? ???? ? ???????? ? ? ? ? ???????C11c os sin22 2 2 1c os( ) sin( )3 3 3 22 2 1c os( ) sin( )33 2???????????????? ? ? ???? ? ???C正交變換 ： 94 Dq0坐標系下基本方程 d s s d s s d s d sq s s q s s q s q so s s o s o s o s0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0u R iu R i pu R i? ? ?? ? ????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?定子電壓： 轉(zhuǎn)子電壓： 磁鏈方程： d r r d r d r d rq r r q r q r q ro r r o r o r o r0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0ffu R iu R i pu R i? ? ?? ? ????? ? ?