變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能追蹤控制探討

張陸路

摘要：伴隨著石油、煤炭等傳統(tǒng)性能源產(chǎn)量的不斷減少，發(fā)展可再生能源成了各國不容忽視的能源戰(zhàn)略。伴隨風力發(fā)電機組本身容量的逐步加大，全面提升機組的運行可靠性和穩(wěn)定性成為風力發(fā)電技術(shù)研究的熱點問題，最大風能追蹤控制成為研究的重點。文章以變速恒頻風力風電機組為例，對其最大風能追蹤的總控制與矢量控制過程進行了分析。

關(guān)鍵詞：變速恒頻；風力發(fā)電系統(tǒng)；最大風能追蹤控制；風力發(fā)電機組；可再生能源 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM621 文章編號：1009-2374（2015）34-0119-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.34.061

變速恒頻發(fā)電作為20世紀逐漸發(fā)展起來的全新的發(fā)電形式，集電力電子技術(shù)、微機信息處理技術(shù)與矢量變換控制技術(shù)于一體，并將其應用到發(fā)電機控制中，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)發(fā)電概念中所認為的只有恒速才可恒頻的想法，被廣泛應用于變水頭水力發(fā)電、飛機、汽車等變速主軸驅(qū)動的發(fā)電與能量隨機變化的風力發(fā)電中，并表現(xiàn)出強大的優(yōu)勢，成為了當前電力研究技術(shù)中的重點研究對象。

1 變速恒頻風力發(fā)電機最大風能追蹤的總體控制

結(jié)合風力非發(fā)電機組本身特性，可把風力發(fā)電機組分成Cp恒定區(qū)、功率恒定區(qū)與轉(zhuǎn)速恒定區(qū)三個不同區(qū)域，且不同區(qū)域也有著不同特性，需采取不同控制策略，就風力發(fā)電系統(tǒng)而言，要實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效控制，區(qū)分各區(qū)域很有必要，特別是對最大風能追蹤控制的實現(xiàn)更是有著重要作用。

1.1 Cp恒定區(qū)

該區(qū)域一般為非風力機組中的低風速運行區(qū)，整個機組依靠廠家所提供的原功率轉(zhuǎn)速曲線控制。由最佳輸出功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系式得出，在測量到轉(zhuǎn)速信號后，就可求出最大輸出功率的給定參考值，并將同實際測量的機組輸出功率反饋偏差對比分析，借助PI調(diào)節(jié)器控制機組來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速，就可使風力機跟蹤最大功率呈曲線運行。假設原有風速為，而風力機在穩(wěn)定運行情況下，其最大功率區(qū)曲線的E點，且風力機的輸入機械功率就能同發(fā)電機的輸出電功率保持平衡；另外，倘若某一時刻的風速變成了，與此同時風力機的輸入機械功率也在逐漸變小，且風力機的運行曲線也從E點轉(zhuǎn)至到風速下運行的功率曲線的D點，相應的風力機輸出機械功率則從Pe轉(zhuǎn)為Pd，這時由于受到大機械慣性與控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后的影響，發(fā)電機的輸出電功率會依舊在E點運行，這樣一來，發(fā)電機的輸出功率就會略大于其輸入機械功率，而且過剩的功率也會使得其轉(zhuǎn)速有所減緩，再結(jié)合風力機特性曲線可知，緊隨風力機轉(zhuǎn)速的逐步減緩，其輸入機械功率將沿著轉(zhuǎn)速功率曲線而不斷上升，相應的，輸出功率則沿著最大功率曲線而不斷下降，最后兩者在C點相交，且發(fā)電機同風力機也將在C點再次持平，而且參照這個原理也可得出風速突然增加的時候最大風能的追蹤

過程。

圖1 最大功率同風輪轉(zhuǎn)速

1.2 轉(zhuǎn)速恒定區(qū)

倘若維持最大風能，借助系數(shù)或是最佳葉尖速比恒定，緊隨風速的不斷加大，風力轉(zhuǎn)速也將漸漸增大，而后在達到額定功率之前，該發(fā)電機就會首先到達轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，而在進入到轉(zhuǎn)速恒定區(qū)后，其發(fā)電轉(zhuǎn)速就會維持在一個水平，不會受到風速的影響。在該運行區(qū)域中，風機就不是在最佳葉尖速比下運行，加之轉(zhuǎn)速恒定，故緊隨風速的不斷增大，將逐漸減小，但減小幅度不大。圖2就是雙饋異步電機于轉(zhuǎn)速恒定區(qū)域時的控制原理，其中n表示轉(zhuǎn)速當前值，△n為設定轉(zhuǎn)速增量，是轉(zhuǎn)速限定值。

1.3 功率恒定區(qū)

轉(zhuǎn)速恒定后，伴隨風速的加大，即便風機轉(zhuǎn)速未加大，但因風機所吸收功率同風速存在的立方關(guān)系，使得風機吸收機械功率與輸出電功率不斷增加，最終致使整個風機大功率達到極限值。一般來說，風機進入到功率恒定區(qū)后，緊隨風速的不斷增加，只有借助風機轉(zhuǎn)速的降低來降低Cp值，才能減少風機所吸收的機械功率，才能減少風機各部件所需承擔的機械應力。如圖3就是恒定功率的實現(xiàn)，而在實際應用中，因風機本身慣性較大，故多以恒定速度來降低其轉(zhuǎn)速，以此來控制動能轉(zhuǎn)換為電能的速度，這樣一來，轉(zhuǎn)速降低時，也不會因釋放太多功率而給變流器與發(fā)電機帶來的負擔，縮短風機使用壽命。

圖3 功率恒定區(qū)控制

策略圖 圖4 變速恒頻風電系統(tǒng)的

矢量控制圖

2 變速恒頻風力發(fā)電機最大風速跟蹤的矢量控制

要想做到最大風能追蹤控制，就需適當加大風機輸入機械功率，即加大電機輸出有功功率，而這就需要對雙饋異步電機開展輸出有功與無功功率的解耦控制。在這里可將交流電機中所用到的“矢量變化控制思想”導入其中，并由此推導出“定子磁鏈定向矢量變換關(guān)系”。即結(jié)合“坐標變換理論”，以形成等同“旋轉(zhuǎn)磁動勢”為原則，把三相坐標系中的交流量借由三相兩相轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У膬上囔o止坐標系中的交流電流，進而借助旋轉(zhuǎn)坐標將其轉(zhuǎn)換成具備一定旋轉(zhuǎn)速度的旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流電流，由此定轉(zhuǎn)子電流就被分解為了轉(zhuǎn)矩分量與勵磁分量兩種，并對其展開分別控制處理，則可完成對雙饋異步電機的“解耦控制”。同時因雙饋異步電機中的定子繞值是同大電網(wǎng)直接連接的，故在電網(wǎng)穩(wěn)定的時候，其定子電壓就為一個恒定值，基于此，變速恒頻雙饋異步電機的矢量控制系統(tǒng)一般多采用的是定子磁鏈定向形式或是電網(wǎng)電壓定向形式，進而在此基礎上借助定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)，在變流器系統(tǒng)內(nèi)把網(wǎng)測變流器的定向形式轉(zhuǎn)化為基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制技術(shù)。而且因這個系統(tǒng)選用的為雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中外環(huán)是功率環(huán)，而內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，分別借助電流互感器與電壓互感器測定其電壓與電流值，并對結(jié)果進行坐標轉(zhuǎn)換，得出有功與無功功率反饋值，繼而結(jié)合電流互感器所檢測到的信號，展開磁鏈觀測計算，獲得定子磁鏈值與同步轉(zhuǎn)速，再借助編碼器獲得轉(zhuǎn)速信號與之前所獲值，分別求得參考功率與電壓補償，其中無功功率的參考值可具體結(jié)合電網(wǎng)需求來設定或是借由雙饋異步電機消耗無功率來求得。如圖4就是系統(tǒng)的適量控制圖，先對比分析風機參考有功功率、無功功率同反饋值差值，借助PI調(diào)節(jié)器對差值加以調(diào)節(jié)，得出定子電流參考值，并求得轉(zhuǎn)子參考電流值，而后再通轉(zhuǎn)子側(cè)電流反饋值對比分析得出差值，并借助PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得出系統(tǒng)解耦項，最后經(jīng)交叉耦合補償，得到轉(zhuǎn)子參考電壓的無功與有功分量，把電壓借由坐標轉(zhuǎn)化，后輸入PWM交流器，以此來控制風機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而這也是“風速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的適量控制過程”。

3 結(jié)語

綜上所述，關(guān)于變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的最大風能追蹤控制，其實就是通過對發(fā)電機輸出有功功率的控制來合理調(diào)整其電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，進而在風速變動的情況下確保最佳葉尖速比的恒定，以此實現(xiàn)對最大功率曲線的動態(tài)追蹤。而且，文章把定子磁場定向矢量變換控制技術(shù)用到了雙饋型的異步發(fā)電機控制上，結(jié)果得到了發(fā)電機無功與有功功率的解耦控制能力，從而為追蹤并獲得最大風能提供了有利條件。

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（責任編輯：秦遜玉）