變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流與優(yōu)化控制研究

李迎輝

摘 要：隨著科技不斷發(fā)展，大量的綠色能源被開發(fā)出來，通過風(fēng)力進(jìn)行電能產(chǎn)生的主要原始能源具有環(huán)保、持續(xù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，為了加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流技術(shù)進(jìn)行探討，通過對(duì)發(fā)電系統(tǒng)變流的逆變器控制方法進(jìn)行研究，使用電力系統(tǒng)建模進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)風(fēng)力能源變流器的結(jié)構(gòu)分析，從而研究出最大功率的獲取方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 變流 優(yōu)化控制

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）05（a）-0023-02

電能已經(jīng)成為當(dāng)前人類使用最廣泛的能源，電能的使用已經(jīng)滲透到人們生活的各個(gè)角落。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，由于電力系統(tǒng)容量不斷增長(zhǎng)，并且專業(yè)技術(shù)不斷更新，在保證發(fā)電成本的情況下產(chǎn)生更多電能成為當(dāng)前電力系統(tǒng)研究最重要的項(xiàng)目之一。風(fēng)力是地球上最環(huán)保、成本低、用之不竭的能源之一，將風(fēng)力運(yùn)用到電力系統(tǒng)當(dāng)中，可以極大的降低電力系統(tǒng)發(fā)電成本，并且保證生態(tài)環(huán)境不受污染。我國(guó)是風(fēng)能資源非常豐富的國(guó)家之一，在我國(guó)東北、蒙古、青藏高原等地區(qū)，年平均風(fēng)速可以高達(dá)6 m/s，并且持續(xù)時(shí)間約為4 000 h，在風(fēng)力資源豐富的廣闊地區(qū)建立風(fēng)里發(fā)電廠是保證我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展的重要工作項(xiàng)目。并且，提高風(fēng)能發(fā)電技術(shù)以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化控制等已成為保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的重要前提。

1 風(fēng)力能源系統(tǒng)中逆變器的控制方法

風(fēng)力能源系統(tǒng)的逆變器有單相逆變器與三相逆變器兩種。三相逆變器通常使用在大功率的系統(tǒng)中，單相逆變器通常被運(yùn)用在中小功率的系統(tǒng)當(dāng)中。當(dāng)變流器安裝在同步發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中的定子側(cè)時(shí)，需要逆變器在調(diào)節(jié)系統(tǒng)能能量的同時(shí)變化電能。

通常在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，是通過電流與電壓對(duì)逆變器進(jìn)行控制，而逆變器在運(yùn)行的過程中由于負(fù)載不同，會(huì)導(dǎo)致負(fù)載參數(shù)的控制不同，所以需要根據(jù)逆變器運(yùn)行中的電流與典雅來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制。

逆變器當(dāng)中存在大量的全空性開關(guān)元件，便于電流與電壓的傳輸工作，并且電壓與電流的波形可以通過逆變器的開關(guān)進(jìn)行有規(guī)律的控制，針對(duì)控制規(guī)律進(jìn)行研究，從而研發(fā)出PWM控制技術(shù)。通過利用逆變器開關(guān)離散化電壓與電流，從而組成新的電壓或者電流。其中PWM技術(shù)的主要控制方法分為線性電流控制、滯環(huán)電流控制、預(yù)測(cè)電流控制等。線性電流控制通常用于傳統(tǒng)系統(tǒng)性能較低的系統(tǒng)，并且性能會(huì)隨著功率開關(guān)頻率而增加；滯環(huán)電流控制系統(tǒng)通常是通過電流跟隨的給定電流使逆變器進(jìn)行電流電壓輸出，這種方法實(shí)際輸出的電流通常會(huì)被限制在電流周圍，并且形成正弦波形，并且具有反應(yīng)快、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，不過由于開關(guān)頻率不夠穩(wěn)定并且電流脈動(dòng)過大，導(dǎo)致這種方法使用并不廣泛。而預(yù)測(cè)電流控制則是通過實(shí)際電流在傳輸過程中的誤差，來對(duì)負(fù)載量的誤差值進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而在下一調(diào)整周期減少誤差，當(dāng)前這類調(diào)節(jié)器具有一定的局限性，不過可以為模型提供準(zhǔn)確的系數(shù)參數(shù)。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模

由于在建立發(fā)電系統(tǒng)之前，需要對(duì)各個(gè)系統(tǒng)性的資料進(jìn)行測(cè)試，而如果在實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中測(cè)試則會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力。所以，建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模就成了研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)特性的重要方法。在對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率進(jìn)行計(jì)算的過程中，可以通過PSIM的軟件進(jìn)行仿真系統(tǒng)建模建立。通過有效電路，建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模，從而再通過SIMULINK系統(tǒng)進(jìn)行模型建模的仿真運(yùn)行，并且通過系統(tǒng)當(dāng)中已經(jīng)存在的仿真模型板塊對(duì)變流器進(jìn)行模擬，從而檢查模型的正確性。

電子電路系統(tǒng)最廣泛使用的軟件是PSIM。這種軟件擁有最理想的功率半導(dǎo)體開關(guān)模型，并且在方正系統(tǒng)運(yùn)行的過程中結(jié)果比較穩(wěn)定，并且模擬時(shí)具有計(jì)算速度快，計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定等特點(diǎn)。但是在實(shí)際運(yùn)用的過程中，如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是用戶自定義設(shè)計(jì)，則會(huì)加大建模難度。

3 新型風(fēng)力能源變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的過程中，由于變流器結(jié)構(gòu)基本一致，導(dǎo)致聯(lián)網(wǎng)型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電壓不是一個(gè)常數(shù)，并且在電流傳輸?shù)倪^程中這個(gè)數(shù)值不會(huì)發(fā)生改變。其中系統(tǒng)中的電壓變化是受風(fēng)速變化的影響。其次，在逆變器傳輸?shù)倪^程中，電機(jī)通常加速較為穩(wěn)定，并且電機(jī)輸出功率正常，但是在減速的過程中，電機(jī)可以通過逆變器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反饋，并且直接在電容器中儲(chǔ)存。其中，風(fēng)力系統(tǒng)當(dāng)中的電網(wǎng)容量可以作為無窮大，當(dāng)直流電壓被過于太高之后，整流器則無法正常工作。當(dāng)系統(tǒng)無法向電容系統(tǒng)傳送能力時(shí)，逆變器由于無功功率過于增加，則會(huì)導(dǎo)致諧波過于增大，使系統(tǒng)綜合能力下降。

3.1 單相逆變器

單項(xiàng)逆變器的使用可以直接放置二極管內(nèi)電容被IGBT充電，通過增加阻斷二極管的方法可以直接解決。單項(xiàng)逆變器的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中有6種連接方式，IGBT為了阻斷二極管的電路，則會(huì)吸收電路當(dāng)中的電容，導(dǎo)致數(shù)據(jù)較大。當(dāng)IGBT的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，如果橋臂上下兩個(gè)元件缺少關(guān)斷時(shí)間，則會(huì)直接導(dǎo)致直流環(huán)節(jié)短路。

3.2 三相逆變器

三相變速器在使用過程中依然存在直流環(huán)節(jié)電壓不足的問題，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)應(yīng)當(dāng)在逆變器當(dāng)中增加二極管，通過仿真模型模擬之后確定方法的可用性。直流環(huán)節(jié)安裝阻斷二極管不會(huì)影響單項(xiàng)能量傳輸，并且IGBT與二極管并聯(lián)之后，三相線的電壓最大值會(huì)與安裝在三相逆變器的阻斷二極管的陰極電壓相等。同時(shí)，為了保證更好的能量傳輸性能，可以使用三阻斷二極管與二極管通路反并聯(lián)。根據(jù)電子系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行計(jì)算之后發(fā)現(xiàn)，IGBT開關(guān)方式與相短路電流具有一些關(guān)聯(lián)，如果使用科學(xué)的方法可以對(duì)相短路的電流進(jìn)行控制。

3.3 倍壓整流器

在風(fēng)力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用的過程中，如果使用額是單相發(fā)電機(jī)或者相發(fā)電機(jī)，則可以通過提高直流電壓的方法來增大功率輸出。當(dāng)發(fā)電機(jī)開關(guān)與電容的中點(diǎn)連接之后，可以直接將直流電壓提高。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的受到的風(fēng)力增加，則可以直接將開關(guān)復(fù)位，不必經(jīng)過電壓，將整個(gè)系統(tǒng)調(diào)整為普通的電流。

3.4 升壓斬波器

為了避免三相發(fā)電機(jī)中的電路受到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)柜的脈動(dòng)，可以使用升壓斬波器來提高直流電壓，將升壓斬波器安裝在直流電容與整流器中間。升壓斬波器通常是由TGBT開關(guān)與二極管組成，可以通過電路控制電壓，如果當(dāng)前風(fēng)速較高，可以直接通過電路將開關(guān)關(guān)閉，由于通過斬波器控制的電流在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中是獨(dú)立的，可以保持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 智能最大功率獲取算法

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中的最大能量轉(zhuǎn)換效率，通過監(jiān)測(cè)葉尖速，從而計(jì)算智能最大功率，功率信號(hào)反饋控制需要建立在風(fēng)機(jī)的特性參數(shù)的基礎(chǔ)上。所以，在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大功率過程中，需要系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用HCS控制轉(zhuǎn)變的方法保持在最佳運(yùn)行點(diǎn)。其次需要智能系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與記錄工作都保持良好穩(wěn)定的運(yùn)行，從而可以使用PSF控制來獲取最大功率的數(shù)值。

在計(jì)算的過程中，可以將理想的風(fēng)能使用一個(gè)系數(shù)來表示，從而獲得最大功率的數(shù)值，通過計(jì)算系統(tǒng)風(fēng)速每三分鐘隨機(jī)變化的平均值，從而將小慣量的系統(tǒng)與大慣量的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而獲取最大風(fēng)能。這種控制算法是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通用，與實(shí)際發(fā)電系統(tǒng)的硬件無關(guān)，需要了解逆變器的直流電壓，與另一個(gè)系統(tǒng)的輸出功率。

5 結(jié)語

為了變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)擁有更好的發(fā)電性能，就必須對(duì)最大功率的獲取方法進(jìn)行研究，通過構(gòu)造建模以及模擬計(jì)算，獲得逆變器控制方法，并且根據(jù)控制方法來進(jìn)行電流滯環(huán)、空間矢量計(jì)算等工作，從而加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。

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