變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)研究

張鳳 張曉紅 盧業(yè)蕙

摘 要：該文分析了變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行區(qū)域，并針對高低風(fēng)速區(qū)采取不同的控制策略，實現(xiàn)低風(fēng)速區(qū)最大風(fēng)能追蹤和高風(fēng)速區(qū)的額定功率保持。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機組 變速恒頻 控制策略

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-00-01

在當(dāng)今新能源技術(shù)開發(fā)中，風(fēng)電成為最成熟、最具開發(fā)利用的發(fā)電技術(shù)。風(fēng)電機組是風(fēng)電系統(tǒng)的重要裝置，直接影響輸出電能的質(zhì)量和效率，因此選取合適的控制策略是保證系統(tǒng)安全、高效運行的關(guān)鍵。

1 變速恒頻雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

變速恒頻雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機通過齒輪箱與發(fā)電機轉(zhuǎn)子相連，發(fā)電機定子直接連接到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過變頻器并網(wǎng)。“雙饋”是指發(fā)電機的定、轉(zhuǎn)子同時向電網(wǎng)饋電。

根據(jù)不同的風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機組主要有五個運行區(qū)域，如圖1所示，每個運行區(qū)域機組的輸出功率不同。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的運行區(qū)域

其中，A為并網(wǎng)區(qū)；B為最大風(fēng)能追蹤（MPPT）區(qū)域；C為過渡區(qū)；D為功率限制區(qū)。E為切出停機區(qū)。

由于風(fēng)速的不斷變化，風(fēng)電機組運行在不同的運行區(qū)域。通常將發(fā)電機組的運行策略確定為：低風(fēng)速區(qū)域，實現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤或使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速最大。高風(fēng)速區(qū)域，實現(xiàn)發(fā)電機組保持額定功率輸出。

2 低風(fēng)速區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的控制策略

（1）矢量控制雙饋發(fā)電機組矢量控制的目標是對發(fā)電機中復(fù)雜變量間的關(guān)系解耦，使實現(xiàn)控制變得簡單?；陔p饋發(fā)電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型利用基于定子磁鏈定向的矢量控制實現(xiàn)有功功率P和無功功率Q的解耦控制，再分別對其施行閉環(huán)控制，實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的變速恒頻運行和最大風(fēng)能捕獲[1]。

（2）直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）直接轉(zhuǎn)矩控制是通過對感應(yīng)發(fā)電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩做滯環(huán)比較，再適當(dāng)選擇逆變器的開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)對發(fā)電機轉(zhuǎn)矩的控制，進而實現(xiàn)對發(fā)電機最大轉(zhuǎn)速的控制。

直接轉(zhuǎn)矩控制的磁鏈軌跡有兩種形式，一種正六邊形，六條邊對應(yīng)于六個電壓矢量，通過切換逆變器的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)對磁鏈軌跡的控制[2]；另一種圓形，通過實時計算發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差，結(jié)合定子磁鏈的空間位置選擇相應(yīng)的開關(guān)矢量。

（3）滑模變結(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)控制是利用其高速開關(guān)特性將系統(tǒng)的相軌跡引導(dǎo)到一個設(shè)計好的曲面上，使系統(tǒng)的狀態(tài)變量在設(shè)計好的的曲面上做滑模運動。雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)以功率相對誤差作為切平面，實現(xiàn)誤差跟蹤和風(fēng)能最大捕獲[3]；以力矩為控制信號，解決滑動模切換抖動的問題。

3 高風(fēng)速區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的控制策略

當(dāng)風(fēng)速達到或超過額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機組進入功率限制區(qū)。變槳距控制技術(shù)是指通過調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)距角，改變氣流對槳葉的攻角，進而控制風(fēng)輪捕獲的轉(zhuǎn)矩或者功率，在高風(fēng)速區(qū)域通過對槳葉節(jié)距角的調(diào)整，調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出功率保持

恒定。

（1）模糊PID控制。模糊PID控制在雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的應(yīng)用是將控制規(guī)則利用模糊集表示成規(guī)則庫存入到計算機，計算機根據(jù)實際響應(yīng)狀況進行模糊推理，實現(xiàn)對PID參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高系統(tǒng)的抗干擾性和魯棒性。給定信號為發(fā)電機的限制功率或轉(zhuǎn)速，反饋信號與給定信號比較，對誤差和誤差的變化率進行模糊推理，對PID參數(shù)進行調(diào)整后發(fā)出槳葉節(jié)距角信號，控制節(jié)距角增大或減小[4]。

（2）H∞魯棒控制。H∞魯棒控制是指在Hardy空間中通過一些性能指標的無窮范數(shù)將被控系統(tǒng)的設(shè)計問題轉(zhuǎn)變?yōu)镠∞范數(shù)最小化的問題。在風(fēng)速和風(fēng)向不斷變化的情況下，利用魯棒控制器設(shè)計的轉(zhuǎn)速控制器使發(fā)電機在設(shè)定好的風(fēng)速范圍內(nèi)運行，實現(xiàn)在低風(fēng)速區(qū)的最大風(fēng)能追蹤和高風(fēng)速區(qū)的保持額定功率控制[5]。

4 結(jié)語

該文針對不同運行區(qū)域的控制目標，分析了風(fēng)力機特性，研究了實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的控制策略，通過調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速，保持最佳葉尖速比，追蹤最佳功率曲線。在高風(fēng)速區(qū)域，對發(fā)電機組的變槳距控制技術(shù)進行研究，并對各控制方式進行分析總結(jié)。

參考文獻

[1] 張志，清靈，朱一凡.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲[J].電機與控制應(yīng)用，2010，37（4）：18-21.

[2] 邢作霞，鄭瓊林.雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組直接轉(zhuǎn)矩控制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2006，25（4）：556-559.

[3] 劉遠濤，楊俊華，謝景鳳，等.雙饋風(fēng)力發(fā)電機有功功率和無功功率的滑模解耦控制[J].電機與控制應(yīng)用，2010，37（4）：39-43.

[4] 王江.風(fēng)力發(fā)電變槳距控制技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[5] 張先勇，吳捷，楊金明，等.額定風(fēng)速以上風(fēng)力發(fā)電機組的恒功率H∞魯棒控制[J].控制理論與應(yīng)用，2008，25（2）：321-324.