雙饋?zhàn)兯僮儤L(fēng)力發(fā)電研究范文
本站小編為你精心準(zhǔn)備了雙饋?zhàn)兯僮儤L(fēng)力發(fā)電研究參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
《北京建筑大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第2期
摘要:
從系統(tǒng)控制的角度，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速變槳距雙饋異步發(fā)電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行中的恒功率輸出等關(guān)鍵問題進(jìn)行了控制對(duì)象特性分析和控制方案設(shè)計(jì)．結(jié)合西門子s7-1200PLC控制器和風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型
構(gòu)建了研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了系統(tǒng)的控制實(shí)驗(yàn)與仿真．重點(diǎn)針對(duì)恒功率輸出問題的控制進(jìn)行了多種控制方案的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過比較不同的控制方案后證明:基于前饋的協(xié)調(diào)控制方案效果較好．
關(guān)鍵詞:
風(fēng)力發(fā)電;雙饋異步發(fā)電機(jī);變速變槳;模擬控制
變速變槳距雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)DFIG在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛［1］，目前已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的首選和發(fā)展方向．它具有諸多明顯優(yōu)點(diǎn):根據(jù)不同工況實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和漿距角，機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)漿距角為零，風(fēng)輪按照最佳葉尖速比運(yùn)行，追蹤最佳風(fēng)能利用系數(shù)，確保捕獲最大風(fēng)能，并保持輸出電能的頻率不變;在高風(fēng)速時(shí)對(duì)漿距角進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變發(fā)電機(jī)的輸出功率，最終可以使發(fā)電機(jī)輸出功率保持在額定功率附近．因此，變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，和基于雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速、變槳距控制技術(shù)也已經(jīng)成為近期風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［2－3］．根據(jù)雙饋式變速變槳風(fēng)力機(jī)組的特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量深入的研究，提出了多種控制方案和控制算法，其中控制算法主要有PI(比例積分)控制、魯棒控制、變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制［4］、預(yù)測(cè)控制［5－6］、模糊控制、結(jié)構(gòu)分散化控制［7－8］和逆系統(tǒng)控制等各種控制策略．這些方法均為變速變槳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化控制提供了不同的思路和理論依據(jù)，但大多數(shù)方法的理論性強(qiáng)，導(dǎo)致控制器的運(yùn)算量過大，而在實(shí)際控制系統(tǒng)中(例如PLC控制系統(tǒng)中)難以實(shí)現(xiàn)．為此，西門子公司開發(fā)了以變速變槳距雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為被控對(duì)象的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真軟件E-WT．本文在E-WT仿真軟件的基礎(chǔ)上，結(jié)合西門子s7-1200PLC控制器構(gòu)建了研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)變速變槳距雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制進(jìn)行了分析和研究，用多種控制方案進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)．分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明:基于前饋的協(xié)調(diào)控制方案對(duì)于雙饋式變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的恒功率輸出控制效果較好．
1仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
被控對(duì)象為模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)E-WT，是基于WindowsXP操作系統(tǒng)的仿真軟件．與其相連的通訊網(wǎng)關(guān)PM-125將Profibus協(xié)議轉(zhuǎn)換為Modbus協(xié)議并通過USB\RS485與仿真軟件通訊，系統(tǒng)控制器選用西門子S7-1200PLC并掛載DP通訊模塊CM1243-5．上位機(jī)通過WINCC軟件監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)．如圖1所示，PLC可控制模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)E-WT并由上位機(jī)監(jiān)控．
2被控對(duì)象描述和控制要求
2.1E-WT設(shè)計(jì)參數(shù)
E-WindTurbine中變速變槳距雙饋異步風(fēng)力機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示．對(duì)于變速變槳距雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的控制系統(tǒng)必須具有以下功能:
1)根據(jù)風(fēng)速的信號(hào)自動(dòng)進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)或從電網(wǎng)切出;
2)根據(jù)風(fēng)速大小及輸出功率自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率的控制:當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，系統(tǒng)能從風(fēng)場(chǎng)中捕獲最大風(fēng)能;當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該平穩(wěn)地向電網(wǎng)輸出盡可能多的電能;
3)根據(jù)風(fēng)向信號(hào)自動(dòng)對(duì)風(fēng);
4)當(dāng)發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)時(shí)，能確保機(jī)組安全停機(jī);
5)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組運(yùn)行的過程中，能夠?qū)︼L(fēng)況、電網(wǎng)和機(jī)組的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄，對(duì)出現(xiàn)的異常狀況能夠自行判斷并且采取相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，能夠根據(jù)記錄下的數(shù)據(jù)，生成各種顯示圖表，以準(zhǔn)確反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)性能指標(biāo)．
2.2具體控制要求針
對(duì)E-WT系統(tǒng)，恒功率輸出的具體控制要求為:當(dāng)風(fēng)速大于12m/s時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)盡可能快速地使發(fā)電功率穩(wěn)定在300kW左右;當(dāng)有劇烈的風(fēng)速和風(fēng)向擾動(dòng)時(shí)，功率輸出不超出300kW±20kW;同時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不得超過2300r/min，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速也要盡可能靠近額定轉(zhuǎn)速1550r/min．
3三種控制方案
針對(duì)圖2所示E-WT系統(tǒng)對(duì)象，為了達(dá)到恒功率輸出的目的，主要討論以下三種常規(guī)的控制方案．
3.1基于轉(zhuǎn)速反饋的PID控制
對(duì)發(fā)電機(jī)，由于存在:P=T×n9550(1)式中:P為發(fā)電機(jī)輸出功率;T為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速．式(1)只是理論上的P與T和n的關(guān)系，具體到目前的E-WT系統(tǒng)，可能會(huì)稍有偏差．為了獲得更準(zhǔn)確的關(guān)系，經(jīng)過多次試驗(yàn)，獲得關(guān)系為:T=9574.944P/n(2)式(2)中P為發(fā)電機(jī)的理論輸出功率;T為發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速．所以方案一通過固定T不變，選擇n為被控量，以E-WT的槳距角設(shè)定值λ為控制量，通過調(diào)節(jié)λ來穩(wěn)定n，進(jìn)而穩(wěn)定功率P，選擇最常用的PID為控制算法［9］，PID參數(shù)通過西門子S7-1200中的自整定算法整定獲得．該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示．按照該方案，對(duì)于穩(wěn)定運(yùn)行在12m/s風(fēng)速的E-WT系統(tǒng)，突然使風(fēng)速變化并維持到18m/s，在這個(gè)擾動(dòng)下觀察系統(tǒng)的抗擾性能，測(cè)試在此擾動(dòng)下系統(tǒng)的恒功率輸出情況．實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間(取P的允許誤差帶300kW±2kW)ts=145s，輸出功率最大值Pmax=380kW．顯然該系統(tǒng)可以達(dá)到最終穩(wěn)定，但是調(diào)整時(shí)間較長，最大超調(diào)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)定的320kW．所以這種控制方案不滿足要求.
3.2基于轉(zhuǎn)速反饋和風(fēng)速前饋的PID控制
分析3.1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出，系統(tǒng)反應(yīng)遲緩主要是因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)總的慣性太大．這些環(huán)節(jié)包括:E-WT系統(tǒng)的槳距角控制系統(tǒng)、風(fēng)輪、增速器、發(fā)電機(jī)．因此，要想提高系統(tǒng)的靈敏性，就必須克服這些慣性．由于槳距角控制系統(tǒng)為E-WT本身進(jìn)行控制，其控制快速性是無法改變的，所以只有改變其他環(huán)節(jié)的快速性．通過實(shí)驗(yàn)可以找出風(fēng)速Vwind和系統(tǒng)穩(wěn)定在300kW時(shí)的槳距角λ300之間的關(guān)系，然后實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)速，通過前饋確定當(dāng)前風(fēng)速對(duì)應(yīng)的λ，把這個(gè)λ補(bǔ)償?shù)?.1的控制系統(tǒng)中去．這樣就可以大大減小從槳距角到功率輸出的三個(gè)環(huán)節(jié)的慣性帶來的不利影響．該方案的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示．首先要獲得λ300和vwind之間的關(guān)系，該關(guān)系根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用MATLAB擬合得到，曲線如圖5所示．λ300=0.01897v3wind－0.9961v2wind+18.55vwind－111.6(3)由式(3)可以獲得克服風(fēng)速變化引起的擾動(dòng)的槳距角調(diào)節(jié)作用λ300．如果定義由風(fēng)速PID控制器的輸出為λPID，那么這時(shí)槳距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)總的輸入量:λ=λ300+λPID(4)仍然按照3.1所述的測(cè)試條件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間ts=130s，輸出功率最大值Pmax=350kW．顯然該系統(tǒng)可以達(dá)到最終穩(wěn)定，而且調(diào)整時(shí)間比3.1所述方案要短，最大超調(diào)量也有所減小，但是超過了規(guī)定的320kW．所以這種控制方案仍然不能滿足要求．
3.3多變量協(xié)調(diào)PID控制
由式(1)分析可以得出，E-WT中的輸出功率P最終受到槳距角λ和電磁轉(zhuǎn)矩T兩個(gè)變量的共同影響．既然上述固定T、改變?chǔ)说膬蓚€(gè)方案都不能滿足功能要求，可以考慮同時(shí)調(diào)節(jié)T和λ來對(duì)E-WT進(jìn)行協(xié)調(diào)控制．控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示．式(2)就是圖6中的電磁轉(zhuǎn)矩約束關(guān)系，控制器讀取當(dāng)前發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，不斷地根據(jù)n計(jì)算出T，并把T設(shè)定到E-WT的發(fā)電機(jī)中去，這樣就可以實(shí)現(xiàn)T和n這兩個(gè)變量之間的靜態(tài)協(xié)調(diào)控制．仍然按照3.1所述的測(cè)試條件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間ts=80s，輸出功率最大值Pmax=316kW．顯然該系統(tǒng)可以達(dá)到最終穩(wěn)定，而且調(diào)整時(shí)間比前兩個(gè)方案要短得多，最大超調(diào)量也減小很多．為方便對(duì)比，把以上三種控制方案的控制性能指標(biāo)列于表2．
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其對(duì)比分析
為了更為全面測(cè)試系統(tǒng)的其他性能，針對(duì)該系統(tǒng)又做了如下實(shí)驗(yàn)．電磁轉(zhuǎn)矩T的曲線、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n的曲線、發(fā)電機(jī)功率P的曲線均標(biāo)注在圖7(a)中．風(fēng)速Vwind的曲線、槳距角λ的曲線均標(biāo)注在圖7(b)中．圖8是上述實(shí)驗(yàn)過程中的有功功率P的曲線．實(shí)驗(yàn)過程是:A點(diǎn)之前，系統(tǒng)穩(wěn)定工作在12m/s的風(fēng)速之下，A點(diǎn)開始，風(fēng)速突變到20m/s，B點(diǎn)風(fēng)速突變到5m/s，C點(diǎn)風(fēng)速突變到20m/s，D點(diǎn)是風(fēng)向角發(fā)生了180°的改變，E點(diǎn)開始機(jī)頭和風(fēng)向角度小于70°．觀察圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，在多變量協(xié)調(diào)控制中，調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩T可以快速并有效地抑制由于風(fēng)速和風(fēng)向突變引起的輸出功率波動(dòng)，而調(diào)節(jié)又可以使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n準(zhǔn)確地穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速附近．完全達(dá)到了所需要的功能和性能要求．
5結(jié)論
本文針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的恒功率輸出問題進(jìn)行分析并比較三種算法特點(diǎn)及其優(yōu)劣，在使用E-WT雙饋發(fā)電機(jī)組的海上風(fēng)場(chǎng)模擬時(shí)，得出如下結(jié)論:
1)通過仿真得出基于前饋的協(xié)調(diào)控制方案的有效性．
2)該方案具有算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)(例如可以方便地在PLC中實(shí)現(xiàn))的優(yōu)點(diǎn)，有望在實(shí)際風(fēng)電機(jī)組中進(jìn)行試驗(yàn)
參考文獻(xiàn):
［1］劉新宇，陳鐵軍，姚致清．雙饋?zhàn)兯僮儤L(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)分散化控制方法應(yīng)用研究［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(24):21－27
［2］何玉林，黃帥，蘇東旭，等．變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的多變量槳距控制策略［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(15):33－37
［3］鄧文斌，王維慶，吐松江•卡日，等．變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的智能控制［J］．化工自動(dòng)化及儀表，2014，41(5):493－497
［4］杜靜，文薄程，謝雙義，等．變速變槳風(fēng)力機(jī)的自適應(yīng)變槳及轉(zhuǎn)矩控制［J］．電源技術(shù)，2014，38(10):1904－1906
［5］林志明，潘東浩，王貴子，等．雙饋式變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩控制［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(32):118－124
［6］何玉林，黃帥，蘇東旭，等．雙饋式變速變槳距風(fēng)電機(jī)組的槳距控制［J］．中國電力，2011，44(3):90－95
［7］唐顯虎，李輝，夏桂森，等．雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制策略及性能分析［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2010，26(3):63－68
［8］耿華，楊耕．變速變槳距風(fēng)電系統(tǒng)的功率水平控制［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(25):130－139
［9］吳錚．基于s7-1200的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．北京:北京建筑大學(xué)．2014
作者:田舜禹 蔣志堅(jiān) 單位:北京建筑大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院