兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制研究

鮑潔秋韓剛張翼段志強(qiáng)

摘要：當(dāng)前，變速恒頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制中得到廣泛應(yīng)用。闡述變速恒頻控制技術(shù)及其運(yùn)行原理，針對(duì)兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，提出可靠的控制策略，以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行變速恒頻控制的目的。

關(guān)鍵詞：變速恒頻 風(fēng)力發(fā)電 控制 功率曲線

中圖分類號(hào)：TM614文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-1161（2015）02-0037-03

目前，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率和無(wú)功功率均可調(diào)節(jié)，但其不易滿足恒速恒頻的控制要求。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制得以促進(jìn)，變速恒頻技術(shù)取得一定進(jìn)步，并在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到推廣應(yīng)用。

1變速恒頻控制及運(yùn)行原理

通過(guò)分析貝茲理論，得到變速恒頻的控制原理，即：控制風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速按某個(gè)函數(shù)關(guān)系隨風(fēng)速而變化。在此基礎(chǔ)上采用某種控制方式，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠輸出恒定頻率的交流電。風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率Pm在發(fā)電過(guò)程中將轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)輸出的電功率PS、系統(tǒng)動(dòng)能變化△Pk及系統(tǒng)損耗APs，即：

風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率曲線關(guān)系如圖1所示，圖中Popt。曲線是在各風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)最大輸出功率點(diǎn)的連線，電就是最佳功率曲線。

由圖1可以看出：在最佳功率曲線上，風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)輸出功率是對(duì)應(yīng)的：在同一風(fēng)速下，轉(zhuǎn)速不同，風(fēng)力機(jī)輸出的功率也將不同。如果能夠追蹤Popt曲線，保持葉尖速比為最佳，便可最大限度地捕獲風(fēng)能。因此，在風(fēng)速變化時(shí)需要及時(shí)準(zhǔn)確地控制風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速n，這即是變速恒頻控制技術(shù)的主要思想，

2兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略

2.1兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變槳距風(fēng)輪，發(fā)電系統(tǒng)采用AC-DC-DC-AC的變頻方式，其中整流部分不可控，所有的控制過(guò)程是利用MOSFET和可控逆變器在DC-DC變換過(guò)程完成的，因此，輸出恒壓恒頻的任務(wù)通過(guò)逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果風(fēng)速低于額定風(fēng)速，需要控制逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

發(fā)電機(jī)輸出的交流電經(jīng)過(guò)不可控整流器件傳輸?shù)匠跫?jí)直流母線，直流母線電壓Udc和發(fā)電機(jī)輸出電壓成正比。由于發(fā)電機(jī)輸出電壓隨風(fēng)速變化，所以初級(jí)直流母線電壓存在較大波動(dòng)，故需經(jīng)過(guò)濾波后才能作為DC-DC變換的輸入，在可控DC-DC模塊巾升壓后輸出到二級(jí)直流母線。二級(jí)直流母線的電壓幅值趨于穩(wěn)定，再經(jīng)過(guò)可控逆變器控制電壓和輸出功率

在電壓變換過(guò)程中，DC-DC模塊用于穩(wěn)定直流母線電壓，逆變器是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。逆變器在并網(wǎng)前要保證系統(tǒng)輸出參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)完全一致，在保證輸出頻率一定時(shí)，逆變器負(fù)責(zé)調(diào)相和調(diào)壓：發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后，電網(wǎng)鎖定發(fā)電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，逆變器的輸出電壓將跟隨電網(wǎng)電壓進(jìn)行工頻旋轉(zhuǎn)，此時(shí)系統(tǒng)的控制目標(biāo)為獲取最大風(fēng)能，并保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)可調(diào)。

2.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出模式

風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以下時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率輸出模式，此時(shí)系統(tǒng)以獲得最大風(fēng)能為控制目標(biāo)。對(duì)應(yīng)于任一轉(zhuǎn)速n，風(fēng)力機(jī)有最大功率輸出Pmax=kn3，其中包含系統(tǒng)傳輸過(guò)程中的損耗AP，則發(fā)電系統(tǒng)饋人電網(wǎng)的有功功率P=Pmax-？P。因此，需要控制逆變器饋入電網(wǎng)的電流頻率、幅值和相位，使饋人電網(wǎng)的有功功率能夠跟蹤指令P，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，并且保持最優(yōu)葉尖速比，獲得最大風(fēng)能。同時(shí)，通過(guò)控制逆變器輸送到電網(wǎng)的無(wú)功功率，能夠改善系統(tǒng)功率因數(shù)。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接等效成純感性電抗，系統(tǒng)的能量傳輸如圖3所示，發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)電壓之間的向量關(guān)系如圖4所示。圖中：X。為發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的感抗；P1，Qt為逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率；Pns，Qa為輸送到電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率：vI，Vs為發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓和電網(wǎng)電壓。

由公式（3）可知，通過(guò)控制逆變器輸出電流可以調(diào)節(jié)逆變器輸出有功功率和無(wú)功功率，其方法為：通過(guò)控制逆變器輸出電流的頻率、幅值和相位，使逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率跟蹤P1和Qs，這樣可獲得最大功率并實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)可調(diào)。利用閉環(huán)控制，能夠控制逆變器的電流輸出跟蹤給定的參考電流，電流控制電壓源逆變器的控制信號(hào)流程如圖5所示。

2.3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定功率輸出模式

風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以上時(shí)，風(fēng)力機(jī)的變槳距系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，通過(guò)改變?nèi)~片的對(duì)風(fēng)攻角來(lái)減小風(fēng)力機(jī)的葉片受力，控制風(fēng)力機(jī)獲取風(fēng)能維持在額定功率，并向發(fā)電機(jī)傳送恒定的功率。通過(guò)控制逆變器的輸m功率維持在額定功率，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)獲得穩(wěn)定的機(jī)械能量，保證系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速不變。根據(jù)分析，系統(tǒng)的額定電流為IN，額定電壓為UN，只要控制逆變器輸出電流能夠保持在IN或輸出電壓能夠保持在UN，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出額定功率。

3結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制問(wèn)題進(jìn)行理論分析與研究。從空氣動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論人手，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的最大風(fēng)能追蹤原理，通過(guò)構(gòu)建風(fēng)機(jī)受力模型，推導(dǎo)出理論風(fēng)能利用系數(shù)；分析變速恒頻運(yùn)行方式，提出可靠的變速恒頻控制策略，在不同風(fēng)速下對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系進(jìn)行比較，得出最佳功率曲線，控制風(fēng)機(jī)沿著最佳功率曲線運(yùn)行，從而獲得最大輸出功率，以實(shí)現(xiàn)變速恒頻的控制目的。

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ResearchontheControlofWindPowerGenerationSystemofMWVariableSpeedConstantFrequency

BAOJieqiul，HANGangl，ZHANGYj2，DUANZhiqiangr

Abstract：Atpresent，thetechnologyofvariablespeedconstantfrequencyiswidelyusedinthecontrolofwindpowergenerationsystem.Thearticleexpoundsthecontroltechnologyofvariablespeedconstantfrequencyanditsoperatingprinciple，suggestsreliablecoritroltacticsforwindpowergenerationsystemofMWvariablespeedconstantfrequency，inordertorealizethecontrolofvariablespeedconstantfrequencytowindpowergenerationsystem.

Keywords：variablespeedc，onstantfrequency；windpowergeneration；control；powercurve