无刷双馈风力发电机滑模功率解耦控制
张先勇1,吴 捷1,杨俊华2,杨金明1,吴晓朝1
(1•华南理工大学电力学院,广州510640; 2•广东工业大学自动化学院,广州510090)
摘 要:首次采用现代控制理论中的滑模变结构方法研究了无刷双馈发电机(BDFM)运行时有功功率与无功功率的解耦控制,在状态方程的基础上,应用Lyapunov函数求得了有功功率与无功功率的滑模控制律,并在Matlab/Simu-link基础上建立了系统的仿真模型。仿真结果表明,滑模变结构控制能够有效的实现有功功率与无功功率的解耦控制,并实现了风能的最大功率捕获,证明了该控制策略的有效性。
关键词:无刷双馈发电机;有功功率;无功功率;滑模控制;风力发电系统
中图分类号: TM341 文献标识码:A
引 言
无刷双馈发电机(BDFM)由于其优越的特性在风力发电系统中有着广泛的应用前景,对其功率特性的有效控制是决定BDFM应用和电能质量的关键因素。图1所示BDFM定子侧有两套绕组,直接与电源相连的一套称为功率绕组,通过变频器与电源相连的称为控制绕组,两套绕组具有不同的极对数。
通过控制绕组的作用,BDFM既可运行于亚同步速也可运行在超同步速,易于实现风电机组的变速运行以获得最大风能捕获、简化风力发电传动装置的设计,从而可实现发电机组与电网的柔性连接,同时也可以调节发电机的有功功率与无功功率以满足电网的需求[1]。
现有的文献资料主要侧重对无刷双馈电机电动运行方式的研究,对其发电运行方式研究较少。BDFM在风力发电系统中的应用关键在于是否能够对发电机的有功功率与无功功率实现解耦控制,在这方面已经有了一些成果[2~6],但都是采用传统的控制方法。现代控制理论的发展以其具有诸多优点为控制实现提供了多种选择,滑模变结构控制作为其中之一,本质上是一种不连续的开关型控制,要求频繁快速地切换系统的控制状态,具有快速控制、对系统参数变化不敏感、设计简单、易于实现的特点,在风力发电系统中已有较多成功应用[7~10]。本文首次将滑模控制引入BDFM有功功率和无功功率的解耦控制,采用状态方程,利用Lyapunov函数求得相应的滑模控制律,并在Matlab/Simulink基础上建立了系统的仿真模型。仿真结果表明,滑模控制成功实现了有功功率和无功功率的解耦控制以及对风能的最大功率跟踪,证明了该控制策略有效性。
1 有功及无功功率的滑模解耦控制
图5为无功功率给定量不变、风速变化时有功功率的调节过程。由图5a可见当风速从9m/s升到10m/s再降到9m/s的过程中,转速先由647r/min升到704r/min,再降到647r/min,转速能够快速跟踪风速的变化并达到稳定状态。图5b表明有功功率随着转速调节过程而变化,当转速稳定时,有功功率也是处于稳定状态。当有功功率从14•7kW增加到19kW再降低到14•7kW的过程中,无功功率维持在给定的1kVA上,有功功率的变化没有影响无功功率。图5c和图5d分别为控制电压和转子电流的情况。
图6为风速维持在9m/s不变,无功功率的调节过程。由图6a可见当风速不变时,转速维持在647r/min不变。图6b中无功功率的给定值从10~20s为1kVA,从20~40s为-1kVA,从40~55s为1kVA,图中所示的是无功功率的实际供给值,由图可见无功功率的供给能够很好的跟随给定值,仅仅存在稍微的延迟,而输出的有功功率不变。图5c和图5d也分别为控制电压和转子电流的情况。
3 结 论
本文首次将滑模控制应用到BDFM有功功率与无功功率的解耦控制中,在状态方程的基础上利用Lyapunov函数求得相应的控制律,并在Matlab/Simu-link基础上建立了系统的仿真模型。仿真结果表明,滑模控制能够成功的实现风力发电中BDFM有功功率与无功功率的解耦控制,同时实现风能的最大功率捕获,证明该控制器具有较强的鲁棒性。
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