雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)控制策略研究

賈弘德　許曉峰　顧欣然

摘 要：本文敘述了雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行原理，在不對(duì)稱電網(wǎng)故障和對(duì)稱電網(wǎng)故障情況下針對(duì)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)；低電壓穿越；控制策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.157

0 引言

近年來，隨著可持續(xù)發(fā)展的觀念的提出，人們不斷找尋新型可再生能源來實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展的供給形勢(shì)。由于能源問題日趨嚴(yán)重，應(yīng)用新型可再生能源尤為重要。近年來風(fēng)電相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展使得風(fēng)電并入電網(wǎng)技術(shù)不斷完善。引入無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的可靠性有了更高的要求，因此針對(duì)雙饋型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的制策略進(jìn)行研究具有重要意義。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過機(jī)械功帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功最終輸出交流電的電力設(shè)備。其主要有兩種葉輪旋轉(zhuǎn)軸：垂直軸和水平軸。水平軸具有比垂直軸更高的效率，因此通常采用水平軸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)其葉片的數(shù)目的不同可分為單葉式、雙葉式、三葉式、多葉式，其中三葉式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際應(yīng)用廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中的比較常見的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有恒速鼠籠型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、變速恒頻雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、變速鼠籠型異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

2 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的模型和控制方法

2.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行原理

在無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)是轉(zhuǎn)化風(fēng)能的核心部分，在某種程度上和繞組式異步電機(jī)存在相似之處。其最大特點(diǎn)是變流器在轉(zhuǎn)子電路中，因此處理額定功率時(shí)只處理轉(zhuǎn)差的部分就可以了，因此變流器的損耗相對(duì)比較少，整個(gè)系統(tǒng)的效率也較高。無刷雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行原理如圖1所示。

2.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

（1）定子磁場(chǎng)定向矢量控制。目前，在無刷雙饋型電機(jī)的控制策略中主要是矢量控制，這種控制策略具有很好的性能。因?yàn)橛胁煌噶慷ㄏ虻拇嬖?，所以矢量控制可分為定子磁?chǎng)定向和電網(wǎng)電壓定向兩種類型。其中前者可以完成整個(gè)去耦控制，而后者只能完成部分去耦控制。

（2）網(wǎng)側(cè)PWM變流器矢量控制策略。在PWM型變流器的數(shù)學(xué)模型中，交流量是時(shí)變的，所以無法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。但是，對(duì)PWM型整流器進(jìn)行變換坐標(biāo)就能夠?qū)涣髁咳ヱ羁刂?。因?yàn)镻WM型變流器的主要靠電網(wǎng)供電，所以可以將相對(duì)靜止的三相ABC坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成根據(jù)電網(wǎng)的基頻旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。

3 對(duì)稱電網(wǎng)故障下的控制策略

無刷雙饋型發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受電網(wǎng)電壓的影響較大，電壓降會(huì)導(dǎo)致定子磁鏈中出現(xiàn)直流量，因此發(fā)電機(jī)定子電流就會(huì)不斷變大。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較慢，則吸收風(fēng)能的效率不變而輸電功率將會(huì)減少，其中部分能量將會(huì)在系統(tǒng)中被消耗，因此就會(huì)產(chǎn)生故障。

由于在傳統(tǒng)的矢量控制方法中有缺陷，因此考慮定子磁鏈的動(dòng)態(tài)變化，改進(jìn)了矢量控制算法，改進(jìn)之后能夠有效的解決電壓下降時(shí)定子磁鏈中電磁產(chǎn)生過度的問題。

4 不對(duì)稱電網(wǎng)故障下的控制策略

4.1 電網(wǎng)不平衡理論分析

在一個(gè)多相系統(tǒng)中不對(duì)稱并不代表其不平衡，但在三相系統(tǒng)中，電路如果不對(duì)稱那就表示電網(wǎng)不平衡。當(dāng)分析不平衡電力系統(tǒng)時(shí)，通常利用對(duì)稱分量法進(jìn)行分析。該方法是將電路中電流和電壓不對(duì)稱的部分轉(zhuǎn)化成邊界條件，并將其余的電路視作對(duì)稱電路。

4.2 PWM整流器的控制策略

在PWM整流器的控制策略中，通常用電壓和電流雙閉環(huán)控制方式。分別控制輸入電流和電壓，將外環(huán)輸出的電壓作為電流指令，輸入電流則由電流內(nèi)環(huán)控制，從而保持整流器性能良好。

5 結(jié)束語

由于日益加劇的全球能源危機(jī)，新型能源中風(fēng)能作為可再生的清潔能源對(duì)可持續(xù)發(fā)展意義重大。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可以與電網(wǎng)連接，并能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率的變換。本文總結(jié)分析了雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的控制策略，在建設(shè)智能電網(wǎng)推進(jìn)新能源發(fā)展過程中針對(duì)雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的有效控制問題，仍需深入探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉飛.論雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制策略究[J].中國(guó)科技投資，2014（A14）：183

[2]趙新.雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制策略及低電壓穿越技術(shù)研究[D].北京交通大學(xué)，2010.

[3]姜騰，王杰.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越研究熱點(diǎn)分析[J].電氣自動(dòng)化，2015（05）：35-39.

[4]葉盛.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越控制策略研究[D].湖南大學(xué)，

2011.

[5]薛利晨.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越特性的控制策略與測(cè)試方法研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2012.