風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究綜述

【摘要】地球資源的逐漸減少，使得能源供求日趨緊張，為了實(shí)現(xiàn)自然和人類的和諧持續(xù)發(fā)展，我們應(yīng)該合理的開發(fā)新能源，在風(fēng)能的利用上應(yīng)該加大對(duì)其的研究力度，這能夠減輕我國(guó)的電力資源緊張的情況。近年來我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展迅速，在風(fēng)電也取得了良好的成果，在如何提高風(fēng)能的利用效率，提高風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量和品質(zhì)，研究者們著這些方面進(jìn)行了很多的實(shí)驗(yàn)和研究。本文風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究就從以下幾個(gè)方面來說明，風(fēng)輪的控制，其可以改變接受風(fēng)能的大小、發(fā)電機(jī)與變換器的控制來改變發(fā)電效率、諧波消除與無功補(bǔ)償來提高發(fā)電的質(zhì)量，這幾個(gè)方面進(jìn)行了討論和研究，為風(fēng)電系統(tǒng)中控制策略的發(fā)展一定參考。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；電力電子變換器；控制策略

風(fēng)能屬于可再生能源，分布較為廣泛，并且利用時(shí)不會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成傷害，其作為替代能源的意義就更加突出。風(fēng)力發(fā)電的研究涵蓋面較廣，其可以控制的對(duì)象主要是風(fēng)葉、發(fā)電機(jī)的制造，以及對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)控制策略等，為了使風(fēng)力發(fā)電達(dá)到最優(yōu)的控制效果，需要考慮許多方面因素，問題也就比較復(fù)雜。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略主要從風(fēng)輪的控制、發(fā)電機(jī)、與變流環(huán)節(jié)中整流器和逆變器變壓器的控制及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)葞讉€(gè)方面來進(jìn)行研究。

一.風(fēng)力發(fā)電廠中對(duì)風(fēng)輪控制策略

風(fēng)輪承擔(dān)著將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的機(jī)械能，它是整個(gè)系統(tǒng)的能量的輸入，風(fēng)輪同樣也能夠改變能量輸入煩人多少，我們通過控制風(fēng)輪，來達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的控制。根據(jù)公認(rèn)的貝茲理論，實(shí)際上風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的比例最多能夠達(dá)到59.3%。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要達(dá)到最大的轉(zhuǎn)化率，首先要保證風(fēng)能在獲取過稱中最小的消耗。對(duì)于風(fēng)輪單方面來說，獲得最大功率的控制方法主要有三種：

1.葉尖速比（TSR）控制。葉尖速就是指風(fēng)輪最外邊緣，也就是風(fēng)葉的尖端在風(fēng)力推動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度，風(fēng)力推動(dòng)風(fēng)輪的邊緣速度與此時(shí)的風(fēng)速的數(shù)值比被稱為葉尖速比。葉尖速比控制就是控制葉尖速的比值來到達(dá)系統(tǒng)的最優(yōu)化，我們根據(jù)不同的風(fēng)速來確定最優(yōu)的葉尖速比，其確定最優(yōu)的轉(zhuǎn)速在控制時(shí)，大自然的風(fēng)力的大小，風(fēng)速是不可調(diào)節(jié)的，所以我們可以通過改變?nèi)~尖速來達(dá)到控制作用，可以改變風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩，來改變風(fēng)輪邊緣速度的大小，來獲得最優(yōu)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到最優(yōu)的葉尖速比。

2.功率信號(hào)反饋（PSF）控制對(duì)于功率信號(hào)的控制，我們采用此種方法的基礎(chǔ)是風(fēng)輪運(yùn)行時(shí)的功率是根據(jù)條件變化的，我們根據(jù)功率關(guān)系繪制出相應(yīng)的最大功率曲線，再以功率曲線為基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的操作。一般就是在實(shí)際工作中，對(duì)比最大功率與系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率，得出兩者之間的差值，據(jù)此來對(duì)風(fēng)輪槳矩進(jìn)行一定的調(diào)整，最終就可以得到最大功率。相比于第一種方法，運(yùn)用此方法的一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)就是能夠減少控制成本。但也存在一個(gè)問題問題，如何在平時(shí)運(yùn)行中獲取最大功率曲線。

3.爬山搜索（HCS）控制功率點(diǎn)的圖像猶如一個(gè)拋物線，將它看做一個(gè)小山，則最高點(diǎn)就是最大功率點(diǎn)。當(dāng)我們不確定目前工作點(diǎn)在哪，可以適當(dāng)增加風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)輸出的直流功率會(huì)改變，如果直流功率增加，則說明在山的左邊，反之則在右邊。通過這種方法可以找到最高點(diǎn)，以確定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。但這種方法有一定缺點(diǎn)，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大時(shí)，就很難改變轉(zhuǎn)速。

二.關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及相關(guān)的電力電子變換器的控制策略

1.風(fēng)力發(fā)電的能量來源于風(fēng)力，離地面較高的地方風(fēng)力較大，所以我們需要在高空完成能量轉(zhuǎn)化，所以我們需求高效率的質(zhì)量相對(duì)較輕的發(fā)電機(jī)，及其一系列設(shè)備。永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電熱損耗教小、使得發(fā)電效率高。在制作的過程中就可以采用模塊化的制造方式，降低整個(gè)生產(chǎn)的成本。同時(shí)，在對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制的過程中，一般采用的都是矢量控制方式，采用此種方式的主要原因是這種控制方式可以有效的實(shí)現(xiàn)直軸電流和交軸電流之間的解耦，使得對(duì)于系統(tǒng)的功率因數(shù)的控制變得相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.電力電子變換器。在風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)中通常要去電力電子變換器具有以下的特點(diǎn)；①使用的面相對(duì)較廣，要求在大型的風(fēng)電系統(tǒng)中也能夠良好高效的使用；②要求風(fēng)能在轉(zhuǎn)換過程中能量的轉(zhuǎn)換率要高，在轉(zhuǎn)化后傳輸效率要高；③要求可以調(diào)節(jié)無功功率，改變功率因素；④變化器盡可能的減少對(duì)電能的質(zhì)量損失，要求諧波畸變盡可能的??；⑤要求設(shè)備在使用過層中可靠度高，安全系數(shù)高；⑥在保持高的運(yùn)行效率時(shí)，功率范圍大；⑦電力電子變化器設(shè)備成本低。運(yùn)用PWM整流器，可以很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的最大功率控制。在整流器的運(yùn)行過程中，對(duì)其進(jìn)行矢量控制，就可以實(shí)現(xiàn)有功、無功功率之間的解耦，從而就可以得到符合實(shí)際需求的無功功率，同時(shí)，還能夠最大程度的輸出有功功率。設(shè)置直流環(huán)節(jié)的最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無功與有功功率的調(diào)節(jié)工作。

三.風(fēng)能發(fā)電中的諧波消除與無功功率補(bǔ)償

1.我們需要在發(fā)電過程中盡可能的減少諧波的存在，諧波會(huì)使電能質(zhì)量的整體下降，會(huì)影響電的電壓，頻率，會(huì)使無功功率與有功功率的不平衡，使功率因數(shù)降低。在實(shí)際過程中諧波會(huì)造成影響：①使發(fā)電機(jī)的銅損和鐵損增加，發(fā)電機(jī)發(fā)生超同步諧振；②會(huì)導(dǎo)致各種電力設(shè)備發(fā)生熱故障，影響系統(tǒng)的運(yùn)行；③保護(hù)系統(tǒng)和控制電路誤動(dòng)作，傳感器測(cè)量不準(zhǔn)確；④諧波會(huì)使有些電子設(shè)備毀壞，造成損失。為了減少諧波帶來的危害，總結(jié)了一下幾條方法，來減少或者消除諧波：①使用電力設(shè)備如使用電力變流器，產(chǎn)生不同的相位與諧波抵消；②諧波會(huì)增加無功功率，我們采取調(diào)整電容器組的方法來改變的無功輸，從而減少諧波危害；③在連接方式上盡量采取三角形聯(lián)結(jié)方式，這樣可以有效的減少諧波的進(jìn)入；④選用合適的濾波器也可以有效的減少諧波。

2.電網(wǎng)中的無功功率消耗都是由于感性元件的存在，但是由于感性元件在通過電壓時(shí)，消耗的僅僅是無功功率，會(huì)使得感性元件兩端電壓不下降，當(dāng)有高電壓存在是，會(huì)有很大的電流通過感性元件，會(huì)使元件發(fā)熱毀壞，使線路癱瘓。所以我們需要對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償，從而達(dá)到抑制諧波的作用。無功補(bǔ)償可以通過電容投切的辦法。但有其缺點(diǎn)，比如在同一時(shí)刻投切大容量電容，會(huì)造成電壓波動(dòng)；另外，電容投切的辦法具有滯后性，這就影響了補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

結(jié)語

隨著可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電將會(huì)是一個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目，風(fēng)電有廣闊發(fā)展前景。在風(fēng)能利用上，風(fēng)力發(fā)電將大幅度使用智能控制，在運(yùn)行時(shí)通過最優(yōu)控制實(shí)現(xiàn)最大功率，從而提高風(fēng)能利用率增加。通過以上說明，可以為風(fēng)電事業(yè)做出一些幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]陳國(guó)呈.PWM變頻調(diào)速技術(shù)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社，1997

[2]Kaura V.A New Method to Linearize Any Trianjgle- Comparison-Based PWM by reshaping the Modulation Command[J].IEEE Trans onIndApplicat， 1997， 33（5） ： 1254- 1259

[3]Hanselman D，Littlefield B， 張航，黃攀譯.Mastering MATLAB6[M].北京： 清華大學(xué)出版社，2002