無速度傳感器直驅風力發(fā)電運行控制研究

張曉良

（湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411102）

無速度傳感器直驅風力發(fā)電運行控制研究

張曉良

（湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411102）

無速度傳感器的風力發(fā)電技術起步較晚，技術操作難度大，運行難度較大，特別是用速度的在線觀察方面難度更大。所以本次研究中研究了控制技術的基本實現(xiàn)意義，并就控制技術實施做了簡要闡述。

無速度傳感器；風力發(fā)電；控制技術

能源產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的過程中，風力發(fā)電不僅是近些年的研究重點，也必然會是未來十余年內的重點研究對象。特別是一些海上或者高寒風大的地區(qū)，有豐富的電力資源，必然能夠讓風場的運營可行性得到保障，實用性與利用優(yōu)勢必然會展現(xiàn)。

1　無速度傳感器控制技術的現(xiàn)實操作意義。

眾所周知，在傳統(tǒng)的雙饋電機矢量控制體系當中，最核心的部位在于以轉速環(huán)當成外環(huán)控制的一個控制環(huán)節(jié)，這必然要求在實際應用過程中使用高精度光電編碼器等轉速和位置處檢測雙饋電機的轉速。在完成電路調理動作后，將其傳遞到中央處理器之中，而在后續(xù)的運行過程中傳遞給信號以完成轉速環(huán)的建設。但是雙饋電機在傳感器的安裝過程中，總是會出現(xiàn)一些問題，像是：（1）實際成本的增加：在設備應用過程中額外加入了傳感器，必然會讓設備成本也相應的增加，這對初期投入來說是十分不利的，何況光電編碼盤不具有較高的實際精準性，加之精準性高的編碼盤價格又高，這樣組成的便是一個惡性循環(huán)過程；（2）由于錯誤安裝而對測量精度造成的影響，在電機上安裝的編碼盤并不能夠切實的確保和雙饋電機之間保持精確的同心度，并且在使用時間的過程中，拉長程度更高，更容易出現(xiàn)光電編碼盤的松動問題，而一旦速度環(huán)出現(xiàn)了惡性癥狀，必然影響整個設備和項目的運行，造成的損失都是難以估量的；（3）維護難題：電機中心軸有較大的體積，容易為電機維護帶來巨大的難題，這和異步電機自身的簡單性特征是不相適應的。

2　直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理。

傳統(tǒng)直驅風力發(fā)電的變流結構為“不控整流聯(lián)合升壓斬波聯(lián)合PWM逆變”的交直交變流器，其在應用過程中的不足之處在于二極管的整流輸出電壓是不在控制范圍內的，晶閘管整流雖然可以對其的輸出電壓進行控制，可是功率不高，并且會朝著電網(wǎng)輸入進數(shù)量較大的諧波電流運行。所以可以再使用過程中利用PWM整流電路。圖1是永磁同步電機的發(fā)電系統(tǒng)拓撲系統(tǒng)組成圖，其組成包括風力機、永磁同步電機、制動器和雙脈沖寬度調制變頻器與濾波器等。具體的工作原理為，在風速不斷變化的過程中，發(fā)電機所發(fā)出的交流電壓與頻率是在不斷改變著的，此項變壓變頻中的交流直驅永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的電流經(jīng)過變流器輸出電壓之后和電網(wǎng)電壓的相位頻率保持一致，是一種可調節(jié)的功率因數(shù)交流電系統(tǒng)。風能運行的捕捉過程中，借助風力機與發(fā)電機之間的功能配合，能夠讓發(fā)電機組在不等量的風速作用下保持較高的風能利用系數(shù)，使其能夠在一個良好的轉速維持作用下連續(xù)運行。而在運行過程中要想保持最大化的風能操作功能，可以對發(fā)電機的有功功率進行調節(jié)，以改變當中電磁的運轉間距，進而對機組轉速加以調節(jié)。所以發(fā)電功率的獨立調節(jié)屬于風電機組變速運行過程中的核心，其受制于發(fā)電機轉子的磁鏈定向矢量操作要求。

3　基于定子磁鏈觀察的無速度傳感器控制技術

3.1定子磁鏈觀察技術。無速度傳感器控制技術表示的是利用對電機中和轉子位子、速度關聯(lián)性信號，像是定子端電壓、相電流等等，之后以觀察狀態(tài)或者電機數(shù)學模型的方式推測計算出電機轉子的具體位置和運行速度，從而代替?zhèn)鞲衅鞯奈恢谩，F(xiàn)如今的風力發(fā)電工況狀態(tài)下的風機切入速度是中高速速度，一般是在反電動勢與磁鏈位置速度的估算中技術中被廣泛使用，簡單的說此項技術就是構建一個定子磁鏈觀察器，以獲取轉子的位置角數(shù)據(jù)。

3.2基于飽和反饋改良型定子磁鏈觀察方式仿真。對比飽和反饋積分器和一階慣性濾波器估算的鏈形波形，以下構建了一個仿真模型，波形輸出圖如圖2所示。在這之中，飽和反饋積分器飽和限幅值設定成理想的磁鏈幅值，ωe=20/20=1、截止頻率ws的值分別選擇10rad/s、20rad/s。對比以上兩幅圖可知，帶飽和反饋過程中的積分器和一階低通濾波器對比，L好比是理想磁鏈幅值，并且在頻率的截止Wc數(shù)額越高，帶飽和反饋過程中的積分器積分所獲得的磁鏈幅值與相角誤差就越小，可是相反的Wc越低的時候，帶飽和反饋過程中的積分器直流偏差就很弱小。

圖1　直驅永磁同步發(fā)電系統(tǒng)

圖2　輸出磁鏈波形（wc=10rad/s）

圖3　輸出磁鏈波形（wc=20rad/s）

3.3網(wǎng)側變換器的控制。執(zhí)行電網(wǎng)的側逆變器過程中，把兩相旋轉坐標系當中的d軸和電網(wǎng)電壓矢量放在同一坐標軸上，設θ是電壓矢量位置角。那么逆變器在網(wǎng)側電壓矢量定向坐標系之下的數(shù)學模型可以表示成：

在上式中，L與R分別代表的是逆變器和網(wǎng)側之間的電感與電阻指標，而ud和uq表示的分別是逆變器的調制性電壓控制量，這兩項因素還同步受到交叉耦合項以及電壓電網(wǎng)之間的影響，因此需要有一種技術將d、q之間的電流耦合控制技術關系解除。電壓控制環(huán)對直流電壓進行穩(wěn)定控制，能夠讓逆變器穩(wěn)定的朝著電網(wǎng)傳遞有功功率，同時能夠讓無功電流環(huán)進行逆變器輸出無功功率的控制，以滿足電網(wǎng)對無功功率的執(zhí)行要求。

結語

本次研究簡單的分析了基于無速度傳感器的直驅風力發(fā)電機組的控制策略，并且以樣本數(shù)據(jù)的方式驗證了此項操作體系的穩(wěn)定性，和一般的風力發(fā)電要求基本能夠保持一致。

［1］劉彬.無速度傳感器的直驅永磁風力發(fā)電變流器控制研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學，2012.

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