第31卷 第11期
2007年6月10日Vol.31 No.11
June10,2007
53
直流母线电压控制实现并网与最大风能跟踪
徐 科,胡敏强,杜炎森,杨晓静
(
东南大学电气工程学院,江苏省南京市210096)
摘要:针对永磁同步风力发电机加不控AC/DC和可控DC/AC结构,提出采用直流母线电压控制
同时实现并网与最大风能跟踪。分析了可控DC/AC通过功率解耦控制直流母线电压的原理。提出采用可控DC/AC对直流电容充电的直接并网方法,并详细讨论了充电电流和限流电阻的取值范围。分析了直流母线电压与发电机转速之间的关系,提出采用直流电压变步长扰动代替转速定步长扰动实现最大风能跟踪,进一步提出采用功率变化量平方的比例值作为扰动值。详细的仿真验证了文中提出的控制策略简单、可行,。关键词:永磁同步风力发电机;直接并网;;中图分类号:TM614;TM76
0 引言
PMSWG———permanentmagnetsynchronouswindgenerator)目前有多种并网电路,其中不控AC/DC加可控DC/AC的交直交结构是PMSWG的最简单、可行的并网电路[122]。
并网与最大风能跟踪是并网型风力发电的基本问题。目前的PMSWG通过三相逆变器连接电网,其并网过程可以采用与双馈风力发电机类似的方法。文献[324]讨论了双馈风力发电机的并网过程,双馈风力发电机需要辅助调速机构将转速稳定在某个值附近,通过电力电子变换器调整并网电压使其与电网电压同步才能并网。
基于扰动的最大风能跟踪方法无需知道风力机的固有曲线,无需测量风速和转速[527],具有比给定转速和给定功率法更好的通用性[8]。文献[5]用于离网型系统,对PMSWG通过可控AC/DC采用功率变化的微分量变步长扰动转速实现风能跟踪,结构和算法都较复杂。文献[6]采用中间直流环节带DC/DC变换器和蓄电池的小型PMSWG系统。通过DC/DC变换器对直流电压进行定步长扰动,结构较复杂,效果不理想。文献[7]采用不控AC/DC和可控DC/AC对PMSWG进行并网,定步长扰动并网DC/AC的电流观察功率和电压变化实现风能跟踪。除电流扰动量外还需要观察功率和电压的2个参数及其微分变化,过程复杂且效果不是很理想。
PMSWG无论是采用早期整步同步并网方式还
收稿日期:2006212219;修回日期:2007201213。
,均需要通过辅助调速机构和检测同步信号才能并网,过程较复杂。PMSWG的风能跟踪扰动方法结构算法较复杂,多针对离网型系统、采用定步长扰动,效果不理想。而且现有的并网控制和风能跟踪方法是分开进行的,分别采用不同的参数控制,进一步增加了结构算法的复杂性。
因此,对于PMSWG加不控AC/DC和可控DC/AC的并网型风力发电结构,目前还缺乏简单、统一的并网方法和风能扰动算法。鉴于上述情况,本文提出通过控制直流母线电压实现并网与风能跟踪。通过可控DC/AC对直流母线电容充电,实现无需辅助调速机构和检测同步信号的直接并网方法。根据转速与直流母线电压的关系,提出直接变步长扰动直流母线电压实现最大风能跟踪。最后对所提出的方法进行了详细的仿真验证。
1 DC/AC控制直流母线电压原理分析
PMSWG由于功率无需双向流动,因此采用不控AC/DC和可控DC/AC是一种经济有效的并网电路,如图1所示
。
图1 PMSWG的并网电路Fig.1 Grid2connectedcircuitofPMSWG
54
2007,31(11)
将三相可控DC/AC的q轴定位于电网电压矢
量方向,ud=0,uq=um,um为电网电压幅值,id,iq为电网电流d2q轴分量,则三相可控DC/AC的数学模型如下[9210]:
(1)=ω0iq-dtL
(2)=-ω0id+
dtL
式中:ω0为电网角频率;vd,vq为DC/AC交流侧电压的d2q轴分量。
有功/无功可以实现解耦[2,11]:
(3)P=umiq2(4)Q=umid2
图1具有如下的功率关系:
()Pg=PC+
d式中:Pg;为AC注入电网有功功率;PC为电容功率。
动态调节iq使P
直流母线电压与功率、转速等存在密切关系。利用上述分析结果,本文提出直流母线电压控制同时实现并网和最大风能跟踪。
2 直接并网方法研究
211 直接并网方式
此只要将并网开关闭合就可实现并网。
该方法无需检测同步信号和辅助调速机构,大大简化了风力发电机结构和控制算法。212 iqm和Rb的取值范围
并网前的iq取定值iqm,保证由其引起的直流母线电压Udc大于相应的发电机转速上升引起的直流母线电压Udcω,以便发电机空载运行加速最快。
当发电机空载运行时,直流母线电压等于发电机端线电压峰值[12]:
(6)Udcω=E0=kNN
式中:E0为空载电动势有效值;N,N,p,
:
)vR3=J(7)T=dt
,在风力发电机空载时转速与时间有确定的关系。令ω=fω(t),该式是单调上升函数,由式(6)、式(7)可以证明Udcω和t具有单调明确的关系,定义:
(8)t=fUdcω(Udcω)
此时id=0,iq=iqm,idc2=0,idc1=iC。根据式(1)、式(2),图2在d2q坐标系下有方程:
(9)iC=iq=C
Udc+iCRbdt
由式(9)可得:
2m(10)t=2lm+el-l=fUdc(Udc)22式中:l=RbC,m=arsinh(Udc/),k=4umiqRb。
式(10)证明了Udc和t也具有单调明确的关系。因此由式(8)、式(10)和Udc≥Udcω可倒推得到:
(11)2lm+e2ml-l≤fUdcω(Udc)22
只要iqm和Rb满足上式关系即可。在满足上式关系的前提下,为保证系统的安全运行,iqm取尽量小的值,Rb取尽量大的值。
直接并网方式如图2所示。在直流电容与DC/AC之间安装一并网开关。并网前并网开关断开
,DC/AC通过限流电阻Rb对电容进行充电,此时发电机在风力机的带动下转速从0上升。当电容充电达到交流电网线电压幅值时闭合并网开关,同步风力发电机并网,DC/AC按照第3节所述的算法控制进行最大风能跟踪输出功率。
3 直流母线电压变步长扰动实现最大风能
跟踪
图2 直接并网方式
Fig.2 Directgrid2connectedmethod
311 直流母线电压与转速的关系
忽略发电机定子电阻和漏抗,转速与直流母线
电压之间存在如下关系:
Ug=E0-jIgxa
・
・
・
正常情况下,发电机转速从低到高逐渐上升,并在某一转速下并入电网。当由于某种原因,发电机在高转速下脱网需要重新并网,由于此时电容已经充电且直流母线电压高于网侧交流线电压幅值,因
(12)
式中:Ug,Ig分别为发电机端相电压和相电流有效值
;xa为电枢电抗。
当发电机接不控AC/DC和电容滤波时,电流
・研制与开发・ 徐 科,等 直流母线电压控制实现并网与最大风能跟踪55
波形发生畸变,如果简单地当做正弦波形处理是不
妥当的,因此其确切的表达式非常复杂。但当风速和发电机转速一定时,功率也一定,会有确定的电流波形[12],因此对应确定的直流母线电压,即
(13)Udc≈Uglm=fUdc(ω,v)
式中:Udc,Uglm分别为直流母线电压和整流前线电压幅值。
当风力发电机处于稳态时,转速与直流母线电压具有确定的关系[2],如图3所示。确定的风速对应一条确定的直流母线电压与转速曲线。当风速变大时,由于同一转速下的功率变大,因此该转速对应的直流电压下降,该曲线往右下旋转偏移。扰动法的每一步扰动都将扰动在一个新的稳态上,所以每一步扰动直流母线电压的变化都直接反映了转速的变化,因此对于图1所示结构,通过可控
。
式中:k为比例系数。
对ΔP2进行比例运算以使ΔUdc适合当前范围并设置最大限制值。当运行在远离最大功率点时,ΔP2较大、ΔUdc较大,跟踪速度较快使风力发电机快速运行到最大功率点附近;当运行在最大功率点
ΔUdc越小,使风力发电机保持在附近时,ΔP2越小,
最大功率点附近很小的范围内摆动,稳态精度高。
4 控制算法流程
当达到启动风速时,PMSWG转动准备并网。并网前,并网开关断开,按照第2节所述方法执行并网控制。并网后每隔ΔT按照第3节所述方法进行。直流
33
iq,无功电流id2r/3s坐标
333
iA,iB,iC,通过电流滞环控制就能简单快速地控制电流实现风能跟踪[13]。永
磁同步风力发电机控制策略如图4所示。
图3 直流母线电压和转速的关系Fig.3 RelationshipofUdcandspeed
312 直流母线电压变步长扰动算法
将扰动量设为功率变化量绝对值的函数实行变步长扰动,可以提高速度和精度2个方面的性能,该函数过零点且单调上升在第1象限,即
ΔUdc=f(|ΔP|)(14)
由于扰动步长时间ΔT是一定的,因此该时间内的ΔP就代表了功率变化量。|ΔP|大则ΔUdc大,|ΔP|小则ΔUdc小。
符合式(14)要求的函数中以|ΔP|的乘方运算最为简单。乘方次数越高,ΔUdc变化越大,跟踪速度越快,稳态精度越高。但过高的乘方运算会加大计算的复杂度并造成过扰动甚至失去控制,经大量仿真研究比较,|ΔP|平方的比例值作为扰动量效果最好。
ΔUdc=kΔP2(15)ΔUdc≤ΔUdcmax(16)
ΔP=P(n-1)-P(n-2)(17)
ΔUdc・ Udc(n)=Udc(n-1)±
sgn[Udc(n-1)-Udc(n-2)](18)
图4 永磁同步风力发电机控制策略Fig.4 ControlstrategyofPMSWG
5 仿真验证
为了验证所述的风力发电结构以及提出的控制
算法的有效性,进行了详细的仿真研究,仿真软件采用MATLAB/Simulink。仿真参数尽量逼近真实情况。风力机:桨叶半径112404m,额定风速10m/s,额定功率115kW,λopt和Cpmax分别为811和0148,齿轮箱变速比为112。永磁同步发电机:8极,转子磁通为0157Wb,定子电感为35mH,转动惯量为011(kg・m2)。直流电容2000μF,并网线电压幅值为150V/50Hz。假设该风力发电机在风速8m/s下进行并网,分别在8s和16s时风速2次
56
2007,31(11)
突变为10m/s和9m/s;无功电流初始设为2A,分
别在12s和20s时2次变化为5A和3A。
图5(a)描述了直流母线电压Udc的变化情况。并网前期,可控DC/AC对直流电容进行充电,在1126s时Udc达到线电压幅值(150V),并网开关闭合,发电机并网。并网后执行变步长扰动法实现风能跟踪,在风速变化时,直流母线电压分别稳定为19814V,23319V,21711V。图5(b)描述了ΔUdc的变化情况。并网前,其值没有意义;并网后,功率分别在1126s,8s,16s发生变化,因此ΔUdc也在这3个时刻附近变换较大。当功率趋于最大值时,ΔUdc迅速减小到0附近使Udc趋于稳定,转速和功率将稳定在最佳转速和最大功率附近
。
大,电压扰动值变化较大,导致控制电流出现尖刺信号,进入稳态后电流趋于平稳。通过限幅措施可以有效地把尖刺信号控制在安全范围以内,再加上其出现的时间非常短暂,不会对系统产生负面影响
。
图 发电机和电网电流Fig.6 Generatorandgrid
current
图5 直流母线电压及其扰动变化量
Fig.5 DCbusvoltageanddisturbancevariation
图6描述了发电机定子电流ig和DC/AC输入电网电流i的变化情况。并网前风力发电机空载运行,ig=0。当发电机并网后,由于刚并网时的发电机转速仍低于实际Udc所对应的最小转速,因此发电机继续保持空载运行一段时间,直到发电机转速上升到实际Udc所对应的最小转速,此刻发电机才向外输出功率,ig从0开始上升。i从并网前到并网后电流过渡平稳,没有出现过电流的情况,说明并网过程良好。当有功发生变化时,相应的ig和i电流幅值都跟随变化;当无功变化时,只有i电流幅值变化,说明发电机只通过DC/AC输出有功,无功由DC/AC控制输出。
图7描述了直流母线电流的变化情况,其中,idc1是DC/AC侧的直流电流,idc2为AC/DC侧的直流电流。并网前iqm一般取值较小。并网前,idc1为负,表明有功从电网流向DC/AC对电容充电;并网后,idc1为正,表明有功从DC/AC流向电网。
图中电流的尖刺信号是由于功率的初始变化较
图7 直流母线电流Fig.7 DCbuscurrent
图8描述了风力机功率Pm、并网有功功率P
和无功功率Q的变化过程
。
图8 风力机功率、并网有功和无功Fig.8 Windturbinepower,activeandreactive
powerofgrid2connected
并网前,P为负的恒定值;并网后,P为正,迅速跟踪风力机的机械功率实现风能跟踪。当在3种风速下达到稳态时,P分别为01766kW,11499kW,11092kW,理论计算值分别为01768kW,
・研制与开发・ 徐 科,等 直流母线电压控制实现并网与最大风能跟踪57
11500kW,11094kW,跟踪误差小于0126%。从并
网到稳态变化时间小于215s;当风速变化时,动态时间小于115s。说明本文所提出的功率跟踪方法
具有较好的稳态精度和响应速度。有功变化时无功不受影响;无功变化时有功也不受影响,实现了解耦控制。
图9(a),(b),(c)分别显示了定步长扰动、功率变化量一次比例值变步长扰动、功率变化量平方比例值变步长扰动3种情况下的转速跟踪情况(由于功率和转速是一一对应的,因此转速跟踪也就反映了功率跟踪的特性)。可以看出,图9(c)无论在跟踪速度和跟踪精度上效果都好于前2种方法,验证了本文第3节所提出的方法。在3种风速下,图9(c)转速分别稳定为61102rad/s,78161rad/s,69157rad/s;相应理论计算值分别为6283,78154rad/s,70169rad/s,%。
。
单可行的并网风力发电系统。直流母线电压是该系统的重要参数,利用直流母线电压控制既可以实现并网也可以实现最大风能跟踪。采用DC/AC通过并网开关对直流电容充电可以实现直接并网,无需检测同步信号和辅助调速机构。采用功率变化量平方的比例值作为直流电压变步长扰动值比传统定步长转速扰动更加适合上述系统。仿真验证了本文所提出的方法可以实现并网、最大风能跟踪及有功、无功解耦控制,克服了传统方法精度差、响应慢、结构算法复杂的缺点,是一种简单、可行且具有实用价值的控制方法。
参考文[1A.
2permanent2magnet
windGSweden:Chalmersof,[2,等.风力发电机无速度传感器网侧功率直
接控制.电力系统自动化,2006,30(23):43247.
XUKe,HUMinqiang,ZHENGJianyong,etal.Directcontrolgridconnectedpowerwithspeedsensorlessofdirect2drivewindgenerator.AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(23):43247.
[3]刘其辉,贺益康,卞松江.变速恒频风力发电机空载并网控制.中
国电机工程学报,2006,26(7):1342138.
LIUQihui,HEYikang,BIANSongjiang.Studyontheno2loadcutting2incontrolofthevariable2speedconstant2frequency(VSCF)wind2powergenerator.ProceedingsoftheCSEE,2006,26(7):1342138.
[4]刘其辉,贺益康,张建华.交流励磁变速恒频风力发电机并网控
制策略.电力系统自动化,2006,30(3):51256.
LIUQihui,HEYikang,ZHANGJianhua.GridconnectingcontrolstrategyofAC2excitedvariable2speedconstant2frequencywindpowergenerator.AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(3):51256.
[5]贾要勤,曹秉刚,扬仲庆.风力发电的MPPT快速响应控制方
法.太阳能学报,2004,25(2):1712175.
JIAYaoqin,CAOBinggang,YANGZhongqing.FastresponseMPPTcontrolmethodforwindgeneration.ActaEnergiaeSolarisSinica,2004,25(2):1712175.
[6]TAFTICHTT,AGBOSSOUK,CHERITIA.DCbuscontrol
ofvariablespeedwindturbineusingabuck2boostconverter//Proceedingsof2006IEEEPowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,Jun18222,2006,Montreal,Canada.Piscataway,NJ,USA:IEEE,2006:5p.
[7]WANGQuincy,CHANGLiuchen.Anintelligentmaximum
powerextractionalgorithmforinverter2basedvariablespeedwindturbinesystems.IEEETransonPowerElectronics,2004,19(5):124221249.
[8]胡家兵,贺益康,刘其辉.基于最佳功率给定的最大风能追踪控
图9 风速v和发电机转速ωFig.9 Windspeedvandgeneratorspeedω
制策略.电力系统自动化,2005,29(24):32237.
HUJiabing,HEYikang,LIUQihui.Optimizedactivepowerreferencebased
maximum
windElectric
energyPower
tracking
control
strategy.Automationof
29(24):32237.
Systems,2005,
6 结语
PMSWG加不控AC/DC和可控DC/AC是简
58
2007,31(11)
voltageregulator[D].
Nanjing:NanjingUniversityof
[9]王群,姚为正,刘进军,等.电压型谐波源与串联型有源电力滤波
器.电力系统自动化,2000,24(7):30235.
WANGQun,YAOWeizheng,LIUJinjun,etal.Voltagetypeharmonicsourceandseriesactivepowerfilter.AutomationofElectricPowerSystems,2000,24(7):30235.
[10]CHINCHILLAM,ARNALTESS,BURGOSJC.Controlof
permanent2magnetgeneratorsappliedtovariable2speedwind2energysystemsconnectedtothegrid.IEEETransonEnergyConversion,2006,21(1):1302135.
[11]贺益康,郑康,潘再平,等.交流励磁变速恒频风电系统运行研
究.电力系统自动化,2004,28(13):55260.
HEYikang,ZHENGKang,PANZaiping,etal.InvestigationonanACexcitedvariable2speedconstant2frequencywind2powergenerationsystem.AutomationofElectricPowerSystems,2004,28(13):55260.
[12]王瑾.飞机无刷发电机及电压调整技术研究[D].南京:南京航
AeronauticsandAstronautics,2000.
[13]乐健,姜齐荣,韩英铎.三相四线并联APF的电流滞环控制策
略分析一力制.电力系统自动化,2006,30(17):70275.
LEJian,JIANGQirong,
HAN
Yingduo.
Analysisof
hysteresiscurrentcontrolstrategyofthree2phasefour2wireshuntAPF.AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(17):70275.
空航天大学,2000.
WANGJin.Researchofaircraftbrushlessgenerator),男,博士研究生,主要从事风力发电和徐 科(1979—
变电站自动化系统的研究。E2mail:[email protected]
),男,教授,博士生导师,主要从事工程胡敏强(1961—
电磁场计算、电机及其控制技术、电气主设备状态监测与故障诊断等方面的研究工作。
),男,教授,杜炎森(—
。
Realization2byDCBusVoltageControl
UM,DUYansen,YANGXiaojing
(SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)
Abstract:Basedonthenon2controllableAC/DCandcontrollableDC/ACconfigurationofpermanentmagnetsynchronouswind
generator(PMSWG),amethodofrealizingitsgridconnectionandmaximalwindenergytrackingbyDCbusvoltagecontrolisproposed.ThetheoryofcontrollingDCvoltagebyDC/ACdecouplingpowerisanalyzed.Thedirectgrid2connectedmethodbyDC/ACchargingDCcapacityvoltageisproposed,andtherangeofchargingcurrentandlimit2currentresistanceisdiscussed.TherelationshipbetweentheDCbusvoltageandspeedisanalyzed.TheDCvoltagevariablestepdisturbanceisproposedtoreplacespeedfixstepdisturbance.Theproportionvalueofpowervariation’ssquareisproposedasdisturbancevalue.Simulationresultsdemonstratethattheproposedcontrolstrategyissimpleandeffectiveandcanbeusedforgrid2connectedPMSWG.
Keywords:PMSWG;directgrid2connected;maximalwind2powertracking;DCvoltagevariablestepdisturbance
(上接第34页 continuedfrompage34)
Day2aheadPriceForecastwithGenetic2algorithm2optimizedSupportVectorMachinesBasedon
GARCHErrorCalibration
LIUDa1,NIUDongxiao1,XINGMian2,NIEQiaoping3
(1.NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)(2.NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)
(3.NankaiUniversity,Tianjin300071,China)
Abstract:Anewmethodincorporatingthetimesequencemodelingandintelligentalgorithmmodelingispresentedtoforecasttheday2aheadelectricityprice.Withgeneticalgorithm(GA)adoptedtooptimizethemodel’sparameters,supportvectormachines(SVM)modelisappliedtoforecastthepricesequence.Thegeneralizedautoregressiveconditionalheteroscedasticity(GARCH)modelsareappliedtoadjusttheerrorseriesofpriceforecastedbySVM2GAmodels,eliminatingtheirautocorrelationsandheteroscedasticityeffects.Acaseofforecastingtheday2aheadpriceofPJMmarketinAugust,2005demonstratestheproposedmethodhasadesirableperformancewithanoverallmeanabsolutepercentageerror(MAPE)of8.19percent,whichisnearly4percentlessthandataforecastedbycommonmethods.
ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.70671039),SpecializedResearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducation(No.[1**********])andtheNaturalScienceFoundationofHebeiProvince(No.G2005000584).
Keywords:electricitymarket;electricitypriceforecast;SVM;geneticalgorithm;GARCHmodel
第31卷 第11期
2007年6月10日Vol.31 No.11
June10,2007
53
直流母线电压控制实现并网与最大风能跟踪
徐 科,胡敏强,杜炎森,杨晓静
(
东南大学电气工程学院,江苏省南京市210096)
摘要:针对永磁同步风力发电机加不控AC/DC和可控DC/AC结构,提出采用直流母线电压控制
同时实现并网与最大风能跟踪。分析了可控DC/AC通过功率解耦控制直流母线电压的原理。提出采用可控DC/AC对直流电容充电的直接并网方法,并详细讨论了充电电流和限流电阻的取值范围。分析了直流母线电压与发电机转速之间的关系,提出采用直流电压变步长扰动代替转速定步长扰动实现最大风能跟踪,进一步提出采用功率变化量平方的比例值作为扰动值。详细的仿真验证了文中提出的控制策略简单、可行,。关键词:永磁同步风力发电机;直接并网;;中图分类号:TM614;TM76
0 引言
PMSWG———permanentmagnetsynchronouswindgenerator)目前有多种并网电路,其中不控AC/DC加可控DC/AC的交直交结构是PMSWG的最简单、可行的并网电路[122]。
并网与最大风能跟踪是并网型风力发电的基本问题。目前的PMSWG通过三相逆变器连接电网,其并网过程可以采用与双馈风力发电机类似的方法。文献[324]讨论了双馈风力发电机的并网过程,双馈风力发电机需要辅助调速机构将转速稳定在某个值附近,通过电力电子变换器调整并网电压使其与电网电压同步才能并网。
基于扰动的最大风能跟踪方法无需知道风力机的固有曲线,无需测量风速和转速[527],具有比给定转速和给定功率法更好的通用性[8]。文献[5]用于离网型系统,对PMSWG通过可控AC/DC采用功率变化的微分量变步长扰动转速实现风能跟踪,结构和算法都较复杂。文献[6]采用中间直流环节带DC/DC变换器和蓄电池的小型PMSWG系统。通过DC/DC变换器对直流电压进行定步长扰动,结构较复杂,效果不理想。文献[7]采用不控AC/DC和可控DC/AC对PMSWG进行并网,定步长扰动并网DC/AC的电流观察功率和电压变化实现风能跟踪。除电流扰动量外还需要观察功率和电压的2个参数及其微分变化,过程复杂且效果不是很理想。
PMSWG无论是采用早期整步同步并网方式还
收稿日期:2006212219;修回日期:2007201213。
,均需要通过辅助调速机构和检测同步信号才能并网,过程较复杂。PMSWG的风能跟踪扰动方法结构算法较复杂,多针对离网型系统、采用定步长扰动,效果不理想。而且现有的并网控制和风能跟踪方法是分开进行的,分别采用不同的参数控制,进一步增加了结构算法的复杂性。
因此,对于PMSWG加不控AC/DC和可控DC/AC的并网型风力发电结构,目前还缺乏简单、统一的并网方法和风能扰动算法。鉴于上述情况,本文提出通过控制直流母线电压实现并网与风能跟踪。通过可控DC/AC对直流母线电容充电,实现无需辅助调速机构和检测同步信号的直接并网方法。根据转速与直流母线电压的关系,提出直接变步长扰动直流母线电压实现最大风能跟踪。最后对所提出的方法进行了详细的仿真验证。
1 DC/AC控制直流母线电压原理分析
PMSWG由于功率无需双向流动,因此采用不控AC/DC和可控DC/AC是一种经济有效的并网电路,如图1所示
。
图1 PMSWG的并网电路Fig.1 Grid2connectedcircuitofPMSWG
54
2007,31(11)
将三相可控DC/AC的q轴定位于电网电压矢
量方向,ud=0,uq=um,um为电网电压幅值,id,iq为电网电流d2q轴分量,则三相可控DC/AC的数学模型如下[9210]:
(1)=ω0iq-dtL
(2)=-ω0id+
dtL
式中:ω0为电网角频率;vd,vq为DC/AC交流侧电压的d2q轴分量。
有功/无功可以实现解耦[2,11]:
(3)P=umiq2(4)Q=umid2
图1具有如下的功率关系:
()Pg=PC+
d式中:Pg;为AC注入电网有功功率;PC为电容功率。
动态调节iq使P
直流母线电压与功率、转速等存在密切关系。利用上述分析结果,本文提出直流母线电压控制同时实现并网和最大风能跟踪。
2 直接并网方法研究
211 直接并网方式
此只要将并网开关闭合就可实现并网。
该方法无需检测同步信号和辅助调速机构,大大简化了风力发电机结构和控制算法。212 iqm和Rb的取值范围
并网前的iq取定值iqm,保证由其引起的直流母线电压Udc大于相应的发电机转速上升引起的直流母线电压Udcω,以便发电机空载运行加速最快。
当发电机空载运行时,直流母线电压等于发电机端线电压峰值[12]:
(6)Udcω=E0=kNN
式中:E0为空载电动势有效值;N,N,p,
:
)vR3=J(7)T=dt
,在风力发电机空载时转速与时间有确定的关系。令ω=fω(t),该式是单调上升函数,由式(6)、式(7)可以证明Udcω和t具有单调明确的关系,定义:
(8)t=fUdcω(Udcω)
此时id=0,iq=iqm,idc2=0,idc1=iC。根据式(1)、式(2),图2在d2q坐标系下有方程:
(9)iC=iq=C
Udc+iCRbdt
由式(9)可得:
2m(10)t=2lm+el-l=fUdc(Udc)22式中:l=RbC,m=arsinh(Udc/),k=4umiqRb。
式(10)证明了Udc和t也具有单调明确的关系。因此由式(8)、式(10)和Udc≥Udcω可倒推得到:
(11)2lm+e2ml-l≤fUdcω(Udc)22
只要iqm和Rb满足上式关系即可。在满足上式关系的前提下,为保证系统的安全运行,iqm取尽量小的值,Rb取尽量大的值。
直接并网方式如图2所示。在直流电容与DC/AC之间安装一并网开关。并网前并网开关断开
,DC/AC通过限流电阻Rb对电容进行充电,此时发电机在风力机的带动下转速从0上升。当电容充电达到交流电网线电压幅值时闭合并网开关,同步风力发电机并网,DC/AC按照第3节所述的算法控制进行最大风能跟踪输出功率。
3 直流母线电压变步长扰动实现最大风能
跟踪
图2 直接并网方式
Fig.2 Directgrid2connectedmethod
311 直流母线电压与转速的关系
忽略发电机定子电阻和漏抗,转速与直流母线
电压之间存在如下关系:
Ug=E0-jIgxa
・
・
・
正常情况下,发电机转速从低到高逐渐上升,并在某一转速下并入电网。当由于某种原因,发电机在高转速下脱网需要重新并网,由于此时电容已经充电且直流母线电压高于网侧交流线电压幅值,因
(12)
式中:Ug,Ig分别为发电机端相电压和相电流有效值
;xa为电枢电抗。
当发电机接不控AC/DC和电容滤波时,电流
・研制与开发・ 徐 科,等 直流母线电压控制实现并网与最大风能跟踪55
波形发生畸变,如果简单地当做正弦波形处理是不
妥当的,因此其确切的表达式非常复杂。但当风速和发电机转速一定时,功率也一定,会有确定的电流波形[12],因此对应确定的直流母线电压,即
(13)Udc≈Uglm=fUdc(ω,v)
式中:Udc,Uglm分别为直流母线电压和整流前线电压幅值。
当风力发电机处于稳态时,转速与直流母线电压具有确定的关系[2],如图3所示。确定的风速对应一条确定的直流母线电压与转速曲线。当风速变大时,由于同一转速下的功率变大,因此该转速对应的直流电压下降,该曲线往右下旋转偏移。扰动法的每一步扰动都将扰动在一个新的稳态上,所以每一步扰动直流母线电压的变化都直接反映了转速的变化,因此对于图1所示结构,通过可控
。
式中:k为比例系数。
对ΔP2进行比例运算以使ΔUdc适合当前范围并设置最大限制值。当运行在远离最大功率点时,ΔP2较大、ΔUdc较大,跟踪速度较快使风力发电机快速运行到最大功率点附近;当运行在最大功率点
ΔUdc越小,使风力发电机保持在附近时,ΔP2越小,
最大功率点附近很小的范围内摆动,稳态精度高。
4 控制算法流程
当达到启动风速时,PMSWG转动准备并网。并网前,并网开关断开,按照第2节所述方法执行并网控制。并网后每隔ΔT按照第3节所述方法进行。直流
33
iq,无功电流id2r/3s坐标
333
iA,iB,iC,通过电流滞环控制就能简单快速地控制电流实现风能跟踪[13]。永
磁同步风力发电机控制策略如图4所示。
图3 直流母线电压和转速的关系Fig.3 RelationshipofUdcandspeed
312 直流母线电压变步长扰动算法
将扰动量设为功率变化量绝对值的函数实行变步长扰动,可以提高速度和精度2个方面的性能,该函数过零点且单调上升在第1象限,即
ΔUdc=f(|ΔP|)(14)
由于扰动步长时间ΔT是一定的,因此该时间内的ΔP就代表了功率变化量。|ΔP|大则ΔUdc大,|ΔP|小则ΔUdc小。
符合式(14)要求的函数中以|ΔP|的乘方运算最为简单。乘方次数越高,ΔUdc变化越大,跟踪速度越快,稳态精度越高。但过高的乘方运算会加大计算的复杂度并造成过扰动甚至失去控制,经大量仿真研究比较,|ΔP|平方的比例值作为扰动量效果最好。
ΔUdc=kΔP2(15)ΔUdc≤ΔUdcmax(16)
ΔP=P(n-1)-P(n-2)(17)
ΔUdc・ Udc(n)=Udc(n-1)±
sgn[Udc(n-1)-Udc(n-2)](18)
图4 永磁同步风力发电机控制策略Fig.4 ControlstrategyofPMSWG
5 仿真验证
为了验证所述的风力发电结构以及提出的控制
算法的有效性,进行了详细的仿真研究,仿真软件采用MATLAB/Simulink。仿真参数尽量逼近真实情况。风力机:桨叶半径112404m,额定风速10m/s,额定功率115kW,λopt和Cpmax分别为811和0148,齿轮箱变速比为112。永磁同步发电机:8极,转子磁通为0157Wb,定子电感为35mH,转动惯量为011(kg・m2)。直流电容2000μF,并网线电压幅值为150V/50Hz。假设该风力发电机在风速8m/s下进行并网,分别在8s和16s时风速2次
56
2007,31(11)
突变为10m/s和9m/s;无功电流初始设为2A,分
别在12s和20s时2次变化为5A和3A。
图5(a)描述了直流母线电压Udc的变化情况。并网前期,可控DC/AC对直流电容进行充电,在1126s时Udc达到线电压幅值(150V),并网开关闭合,发电机并网。并网后执行变步长扰动法实现风能跟踪,在风速变化时,直流母线电压分别稳定为19814V,23319V,21711V。图5(b)描述了ΔUdc的变化情况。并网前,其值没有意义;并网后,功率分别在1126s,8s,16s发生变化,因此ΔUdc也在这3个时刻附近变换较大。当功率趋于最大值时,ΔUdc迅速减小到0附近使Udc趋于稳定,转速和功率将稳定在最佳转速和最大功率附近
。
大,电压扰动值变化较大,导致控制电流出现尖刺信号,进入稳态后电流趋于平稳。通过限幅措施可以有效地把尖刺信号控制在安全范围以内,再加上其出现的时间非常短暂,不会对系统产生负面影响
。
图 发电机和电网电流Fig.6 Generatorandgrid
current
图5 直流母线电压及其扰动变化量
Fig.5 DCbusvoltageanddisturbancevariation
图6描述了发电机定子电流ig和DC/AC输入电网电流i的变化情况。并网前风力发电机空载运行,ig=0。当发电机并网后,由于刚并网时的发电机转速仍低于实际Udc所对应的最小转速,因此发电机继续保持空载运行一段时间,直到发电机转速上升到实际Udc所对应的最小转速,此刻发电机才向外输出功率,ig从0开始上升。i从并网前到并网后电流过渡平稳,没有出现过电流的情况,说明并网过程良好。当有功发生变化时,相应的ig和i电流幅值都跟随变化;当无功变化时,只有i电流幅值变化,说明发电机只通过DC/AC输出有功,无功由DC/AC控制输出。
图7描述了直流母线电流的变化情况,其中,idc1是DC/AC侧的直流电流,idc2为AC/DC侧的直流电流。并网前iqm一般取值较小。并网前,idc1为负,表明有功从电网流向DC/AC对电容充电;并网后,idc1为正,表明有功从DC/AC流向电网。
图中电流的尖刺信号是由于功率的初始变化较
图7 直流母线电流Fig.7 DCbuscurrent
图8描述了风力机功率Pm、并网有功功率P
和无功功率Q的变化过程
。
图8 风力机功率、并网有功和无功Fig.8 Windturbinepower,activeandreactive
powerofgrid2connected
并网前,P为负的恒定值;并网后,P为正,迅速跟踪风力机的机械功率实现风能跟踪。当在3种风速下达到稳态时,P分别为01766kW,11499kW,11092kW,理论计算值分别为01768kW,
・研制与开发・ 徐 科,等 直流母线电压控制实现并网与最大风能跟踪57
11500kW,11094kW,跟踪误差小于0126%。从并
网到稳态变化时间小于215s;当风速变化时,动态时间小于115s。说明本文所提出的功率跟踪方法
具有较好的稳态精度和响应速度。有功变化时无功不受影响;无功变化时有功也不受影响,实现了解耦控制。
图9(a),(b),(c)分别显示了定步长扰动、功率变化量一次比例值变步长扰动、功率变化量平方比例值变步长扰动3种情况下的转速跟踪情况(由于功率和转速是一一对应的,因此转速跟踪也就反映了功率跟踪的特性)。可以看出,图9(c)无论在跟踪速度和跟踪精度上效果都好于前2种方法,验证了本文第3节所提出的方法。在3种风速下,图9(c)转速分别稳定为61102rad/s,78161rad/s,69157rad/s;相应理论计算值分别为6283,78154rad/s,70169rad/s,%。
。
单可行的并网风力发电系统。直流母线电压是该系统的重要参数,利用直流母线电压控制既可以实现并网也可以实现最大风能跟踪。采用DC/AC通过并网开关对直流电容充电可以实现直接并网,无需检测同步信号和辅助调速机构。采用功率变化量平方的比例值作为直流电压变步长扰动值比传统定步长转速扰动更加适合上述系统。仿真验证了本文所提出的方法可以实现并网、最大风能跟踪及有功、无功解耦控制,克服了传统方法精度差、响应慢、结构算法复杂的缺点,是一种简单、可行且具有实用价值的控制方法。
参考文[1A.
2permanent2magnet
windGSweden:Chalmersof,[2,等.风力发电机无速度传感器网侧功率直
接控制.电力系统自动化,2006,30(23):43247.
XUKe,HUMinqiang,ZHENGJianyong,etal.Directcontrolgridconnectedpowerwithspeedsensorlessofdirect2drivewindgenerator.AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(23):43247.
[3]刘其辉,贺益康,卞松江.变速恒频风力发电机空载并网控制.中
国电机工程学报,2006,26(7):1342138.
LIUQihui,HEYikang,BIANSongjiang.Studyontheno2loadcutting2incontrolofthevariable2speedconstant2frequency(VSCF)wind2powergenerator.ProceedingsoftheCSEE,2006,26(7):1342138.
[4]刘其辉,贺益康,张建华.交流励磁变速恒频风力发电机并网控
制策略.电力系统自动化,2006,30(3):51256.
LIUQihui,HEYikang,ZHANGJianhua.GridconnectingcontrolstrategyofAC2excitedvariable2speedconstant2frequencywindpowergenerator.AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(3):51256.
[5]贾要勤,曹秉刚,扬仲庆.风力发电的MPPT快速响应控制方
法.太阳能学报,2004,25(2):1712175.
JIAYaoqin,CAOBinggang,YANGZhongqing.FastresponseMPPTcontrolmethodforwindgeneration.ActaEnergiaeSolarisSinica,2004,25(2):1712175.
[6]TAFTICHTT,AGBOSSOUK,CHERITIA.DCbuscontrol
ofvariablespeedwindturbineusingabuck2boostconverter//Proceedingsof2006IEEEPowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,Jun18222,2006,Montreal,Canada.Piscataway,NJ,USA:IEEE,2006:5p.
[7]WANGQuincy,CHANGLiuchen.Anintelligentmaximum
powerextractionalgorithmforinverter2basedvariablespeedwindturbinesystems.IEEETransonPowerElectronics,2004,19(5):124221249.
[8]胡家兵,贺益康,刘其辉.基于最佳功率给定的最大风能追踪控
图9 风速v和发电机转速ωFig.9 Windspeedvandgeneratorspeedω
制策略.电力系统自动化,2005,29(24):32237.
HUJiabing,HEYikang,LIUQihui.Optimizedactivepowerreferencebased
maximum
windElectric
energyPower
tracking
control
strategy.Automationof
29(24):32237.
Systems,2005,
6 结语
PMSWG加不控AC/DC和可控DC/AC是简
58
2007,31(11)
voltageregulator[D].
Nanjing:NanjingUniversityof
[9]王群,姚为正,刘进军,等.电压型谐波源与串联型有源电力滤波
器.电力系统自动化,2000,24(7):30235.
WANGQun,YAOWeizheng,LIUJinjun,etal.Voltagetypeharmonicsourceandseriesactivepowerfilter.AutomationofElectricPowerSystems,2000,24(7):30235.
[10]CHINCHILLAM,ARNALTESS,BURGOSJC.Controlof
permanent2magnetgeneratorsappliedtovariable2speedwind2energysystemsconnectedtothegrid.IEEETransonEnergyConversion,2006,21(1):1302135.
[11]贺益康,郑康,潘再平,等.交流励磁变速恒频风电系统运行研
究.电力系统自动化,2004,28(13):55260.
HEYikang,ZHENGKang,PANZaiping,etal.InvestigationonanACexcitedvariable2speedconstant2frequencywind2powergenerationsystem.AutomationofElectricPowerSystems,2004,28(13):55260.
[12]王瑾.飞机无刷发电机及电压调整技术研究[D].南京:南京航
AeronauticsandAstronautics,2000.
[13]乐健,姜齐荣,韩英铎.三相四线并联APF的电流滞环控制策
略分析一力制.电力系统自动化,2006,30(17):70275.
LEJian,JIANGQirong,
HAN
Yingduo.
Analysisof
hysteresiscurrentcontrolstrategyofthree2phasefour2wireshuntAPF.AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(17):70275.
空航天大学,2000.
WANGJin.Researchofaircraftbrushlessgenerator),男,博士研究生,主要从事风力发电和徐 科(1979—
变电站自动化系统的研究。E2mail:[email protected]
),男,教授,博士生导师,主要从事工程胡敏强(1961—
电磁场计算、电机及其控制技术、电气主设备状态监测与故障诊断等方面的研究工作。
),男,教授,杜炎森(—
。
Realization2byDCBusVoltageControl
UM,DUYansen,YANGXiaojing
(SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)
Abstract:Basedonthenon2controllableAC/DCandcontrollableDC/ACconfigurationofpermanentmagnetsynchronouswind
generator(PMSWG),amethodofrealizingitsgridconnectionandmaximalwindenergytrackingbyDCbusvoltagecontrolisproposed.ThetheoryofcontrollingDCvoltagebyDC/ACdecouplingpowerisanalyzed.Thedirectgrid2connectedmethodbyDC/ACchargingDCcapacityvoltageisproposed,andtherangeofchargingcurrentandlimit2currentresistanceisdiscussed.TherelationshipbetweentheDCbusvoltageandspeedisanalyzed.TheDCvoltagevariablestepdisturbanceisproposedtoreplacespeedfixstepdisturbance.Theproportionvalueofpowervariation’ssquareisproposedasdisturbancevalue.Simulationresultsdemonstratethattheproposedcontrolstrategyissimpleandeffectiveandcanbeusedforgrid2connectedPMSWG.
Keywords:PMSWG;directgrid2connected;maximalwind2powertracking;DCvoltagevariablestepdisturbance
(上接第34页 continuedfrompage34)
Day2aheadPriceForecastwithGenetic2algorithm2optimizedSupportVectorMachinesBasedon
GARCHErrorCalibration
LIUDa1,NIUDongxiao1,XINGMian2,NIEQiaoping3
(1.NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)(2.NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)
(3.NankaiUniversity,Tianjin300071,China)
Abstract:Anewmethodincorporatingthetimesequencemodelingandintelligentalgorithmmodelingispresentedtoforecasttheday2aheadelectricityprice.Withgeneticalgorithm(GA)adoptedtooptimizethemodel’sparameters,supportvectormachines(SVM)modelisappliedtoforecastthepricesequence.Thegeneralizedautoregressiveconditionalheteroscedasticity(GARCH)modelsareappliedtoadjusttheerrorseriesofpriceforecastedbySVM2GAmodels,eliminatingtheirautocorrelationsandheteroscedasticityeffects.Acaseofforecastingtheday2aheadpriceofPJMmarketinAugust,2005demonstratestheproposedmethodhasadesirableperformancewithanoverallmeanabsolutepercentageerror(MAPE)of8.19percent,whichisnearly4percentlessthandataforecastedbycommonmethods.
ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.70671039),SpecializedResearchFundfortheDoctoralProgramofHigherEducation(No.[1**********])andtheNaturalScienceFoundationofHebeiProvince(No.G2005000584).
Keywords:electricitymarket;electricitypriceforecast;SVM;geneticalgorithm;GARCHmodel