直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)變流器控制措施

戚緒南

（華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州450045）

直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)變流器控制措施

戚緒南

（華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州450045）

目前風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單、風能利用率高、故障率低、穩(wěn)定安全等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。變流裝置是直驅(qū)永磁式風力發(fā)電系統(tǒng)中一個重要環(huán)節(jié)，變流器的控制方式有網(wǎng)側(cè)變流器控制和機側(cè)變流器控制，本文對這兩者的控制功能進行了分析。

直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)；機側(cè)變流器；網(wǎng)側(cè)變流器

目前，風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，其具有清潔無污染、安全可靠的特點。永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)通過風力機直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機工作，經(jīng)由功率變換電路轉(zhuǎn)換電能再并入電網(wǎng)，省略了齒輪箱等中間環(huán)節(jié)，從而減少了許多發(fā)電系統(tǒng)工作人員的維護工作，并且降低了風電系統(tǒng)的噪音，具有可靠性高、重量輕、效率高的優(yōu)點[1]。

變流裝置是永磁直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)的電力電子變換環(huán)節(jié)，作用十分重要，既要給電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)電能，又要完成對風力發(fā)電機的控制，還要實現(xiàn)低電壓穿越等功能。直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)中變流裝置的拓撲結(jié)構(gòu)種類并不單一，現(xiàn)將使用較多的羅列如下：（1）機側(cè)部分采用不可控整流+boost升壓，網(wǎng)側(cè)部分采用PWM逆變；（2）在機側(cè)部分中采用不可控整流，網(wǎng)側(cè)部分中采用PWM逆變；（3）機側(cè)部分采用相控整流，網(wǎng)側(cè)部分PWM逆變；（4）基于雙PWM控制的具備四象限運行能力的功率變流器[2]。目前使用的背靠背雙PWM全功率變流器的直驅(qū)風電系統(tǒng)相對于前三種來說性能良好而且適用范圍廣泛，這種控制方案也代表著目前風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 背靠背雙PWM永磁直驅(qū)變流器

與經(jīng)典的二極管不可控整流相比而言，機側(cè)變流控制器采用PWM整流可以極大地減少發(fā)電機定子電流中豐富的低次諧波，從而降低了發(fā)電機損失的銅耗和鐵耗，并且PWM整流器最大的優(yōu)點是可提供接近于正弦的電流，從而使發(fā)電機側(cè)部分的諧波電流產(chǎn)生頻率減低?？刂葡到y(tǒng)發(fā)揮其功用，令永磁同步發(fā)電機輸出的頻率、幅值浮動的電壓變?yōu)榭捎玫暮泐l電壓，并貼近俘獲最大風能的期望。網(wǎng)側(cè)變流控制器工作中希望直流側(cè)電壓始終達到穩(wěn)定，其網(wǎng)側(cè)d軸和q軸電流處于不斷調(diào)整的狀態(tài)，完成有功及無功功率的解耦控制，力圖流向電網(wǎng)的無功功率保持在一定數(shù)值內(nèi)，常規(guī)狀況下，系統(tǒng)處于單位功率因數(shù)狀態(tài)，保障注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量符合標準[3]。在風力不可控條件下，雙PWM變流器可在最大程度上保障向電網(wǎng)輸送品質(zhì)優(yōu)良的電能，不會出現(xiàn)電壓失去穩(wěn)定性的狀況，力圖系統(tǒng)始終處于變速恒頻的狀態(tài)，使風能更大程度上轉(zhuǎn)化為電能，提升風電轉(zhuǎn)化效率，削減風電轉(zhuǎn)化過程中的電機耗能，變流器需要對電網(wǎng)的故障具有強大的適應(yīng)能力及隔離能力，確保任何狀況中永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)的有序運行。

2 網(wǎng)側(cè)變流器控制

在風電系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)變流器的主要功能是達到對于直流電壓的穩(wěn)定要求，使輸出功率及輸出并網(wǎng)符合質(zhì)量標準。對永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)而言，網(wǎng)側(cè)變流器多數(shù)情況下是在逆變狀態(tài)實現(xiàn)其功用，其將風力發(fā)電機輸出的直流電流、電壓逆變?yōu)榻涣麟?，并且達到輸出并網(wǎng)標準。網(wǎng)側(cè)變流器需對電網(wǎng)電流實現(xiàn)控制，有評價電流控制性能好壞的標志為能否達到動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度高。在此情況下，控制策略一般分以下幾種，第一種間接控制措施是通過對變流器橋壁電壓的相位幅值進行調(diào)控來實現(xiàn)；第二種直接控制措施就是對電流進行直接調(diào)控從而建立綜合反饋。兩者相比，間接電流控制顯露出了網(wǎng)側(cè)電流動態(tài)響應(yīng)遲緩、對系統(tǒng)參數(shù)的變化要求高的弊端，間接電流控制的實際控制量為變流器交流側(cè)輸出電壓的相位與幅值，不存在電流反饋，如今有被直接控制措施全面代替的趨勢。直接控制措施采用功率環(huán)取代了電流內(nèi)環(huán)，對變換器的輸入以及輸出功率進行直接調(diào)整達到平衡，從而更好地穩(wěn)定母線電壓，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能也更接近理想水平。直接電流控制運用的是電流閉環(huán)控制法，對于電流改變的反應(yīng)較為迅速，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率性都有相當限度的提升[4]。落實到控制方法上來說，直接控制又分為了許多種類，包括PI控制、滯環(huán)控制、重復控制、比例諧振控制、預(yù)測控制、模糊控制等，這些方法實現(xiàn)的難易程度各不相同，都有各自的優(yōu)缺點，有時也會根據(jù)具體情況將幾種方案結(jié)合以便達到更好的控制效果。

3 機側(cè)變流器控制

機側(cè)變流器所起到的作用是對電機進行全面控制，需要實現(xiàn)電機能量輸入變流的電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。在對電機側(cè)變流器的研究中，同步永磁電機的數(shù)學建模與控制策略是重點。其中控制策略又分為了許多種類，目前使用廣泛的有無速度傳感器控制、電機矢量控制、直接功率控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。另一方面，實行最大功率跟蹤控制可以一定程度上提高風能利用率。其中，典型控制原理有葉尖速比法、功率信號反饋法和爬山法等。葉尖速比法在實現(xiàn)時需對風輪上的精確風速進行檢測，通過控制達到使葉尖速比維持在最優(yōu)值的目的，這種方法比較直觀，但是不同風機存在不同風電機特性，會對其最優(yōu)Cp值產(chǎn)生影響，需要具體系統(tǒng)具體分析。功率信號反饋法控制參考了轉(zhuǎn)速與最大功率之間的關(guān)系，采用不同算法具有不同特點：可檢測風速以代替風機轉(zhuǎn)速；可應(yīng)用模糊控制；也可利用神經(jīng)元算法修正風機最大功率曲線，最終使得機組達到在不同轉(zhuǎn)速下輸出功率能跟隨指令值的目的。爬山法利用頻繁調(diào)整功率指令來使機組的輸出功率逐漸靠近最大值。使用這種方法不需要考慮控制算法同風機及發(fā)電機特性之間的關(guān)系，這是爬山法的一個優(yōu)點，這對于變速風機而言，省去了預(yù)先計算與實驗的步驟，能更好的實現(xiàn)控制。

4 結(jié)語

目前，直驅(qū)風電系統(tǒng)技術(shù)成為風力發(fā)電領(lǐng)域熱點研究方向。本文介紹了采用背靠背雙PWM全功率變流器的直驅(qū)風電系統(tǒng)，研究了直驅(qū)風電系統(tǒng)機側(cè)以及網(wǎng)側(cè)變流器控制策略，可為后續(xù)學習工作和工程實踐提供參考和借鑒。

[1]王陳晨.直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機組低電壓穿越技術(shù)的研究[D].東北電力大學，2015.

[2]張 磊，朱凌志，姜達軍，等.直驅(qū)風電機組模型構(gòu)建方法及其實現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，40（11）：3474-3481.

[3]熊 恒.直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機組研究及相關(guān)問題闡述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（26）：202-202.

[4]葉 鷹，王 倩.永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)及變流器控制措施[J].時代農(nóng)機，2016，43（1），26-29.

The Control Measures of Direct-drive Wind Generation System and Converter

QI Xu-nan
（North China University of Water Resources and Electric Power College of Electric Power，Zhengzhou Henan 450011，China）

At present，wind power generation technology has developed rapidly.Permanent magnet direct-drive wind generation system has been widely used because of its simple structure，high utilization rate of wind energy，low failure rate，stability and safety.Converter is an important part of direct-drive permanent magnet wind generation system.The control modes of converter are line side converter control and generator side converter control.This paper analyzes the control function of the converter.

direct-drive wind generation system；line side converter control；generator side converter control

TM46

A

1672-545X（2017）08-0271-02

2017-05-03

戚緒南（1993-），女，河南南陽人，碩士在讀，研究方向：新能源發(fā)電。