基于直接功率控制的風力發(fā)電系統(tǒng)研究

楊其恒

摘要：模型預測直接控制方式能夠有效提高風力發(fā)電系統(tǒng)的運行效率，使其較為迅速的作出動態(tài)響應。為保證運行的穩(wěn)定性，同時滿足低諧波輸出性能的相關(guān)需求，需保證采樣頻率的高效性。若電網(wǎng)長期處于不平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)內(nèi)部電流將受到影響，使其發(fā)生畸變。為了使上述問題皆能得到有效解決，本文提出模型預測直接功率改進的相關(guān)方法，此方法不但能夠在電網(wǎng)平衡條件下得到穩(wěn)定運行，在電網(wǎng)不平衡條件下此方法也能較為有效的實現(xiàn)高效運作。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電系統(tǒng);直接功率控制;電網(wǎng)不平衡

隨著我國各項工業(yè)的不斷完善，環(huán)境污染問題也日漸嚴重，此背景下，可再生能源呈持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展趨勢，在可在生能源中，無污染的能源即為風能，其能夠使我國生態(tài)環(huán)境得到有效改善，因此風能也開始逐漸受到人們的廣泛關(guān)注。大容量齒輪箱即為風力發(fā)電系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的組成部分，但其運行總效率相對較低，此現(xiàn)象一定程度上降低了風力發(fā)電系統(tǒng)運行效率，使其發(fā)展受到影響。經(jīng)不斷改進，直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)，此系統(tǒng)作為現(xiàn)代較為新型系統(tǒng)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)直流電流和交流電流的轉(zhuǎn)換，還使發(fā)電機能夠同步于風輪機的直接驅(qū)動永磁，實現(xiàn)并網(wǎng)效率的提高。

1.風力發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

風力機的槳葉旋轉(zhuǎn)主要由自然風所帶動，自然風幫助風力機實現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換。自然風本身存在一定弊端，其風具備任意性及波動性等特質(zhì)，較大程度上限制了風力機輸出期間的機械功率。機械功率的整體控制主要在電能產(chǎn)生的過程中，呈現(xiàn)于人們的視野。風力機能夠根據(jù)控制方法的不同進行具體劃分，分別為變槳距、主動失速及定槳距控制型。

1.1變槳距控制型

變槳距控制型主要指風力機的槳葉通過其內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與輪轂的連接。在連接期間，若風速產(chǎn)生變化，槳距角能夠根據(jù)變化的具體情況作出改變。由此可看出，槳距角在風力發(fā)電系統(tǒng)中起到較為關(guān)鍵的作用，其能夠保證風力機的運行穩(wěn)定，實現(xiàn)系統(tǒng)輸出功率上的有效提高。風速本身即存在不穩(wěn)定性，若風力在系統(tǒng)運行期間所產(chǎn)生的變化幅度相對較大，那么變槳距也可對風力實現(xiàn)實時控制，使風速得到較大程度削弱，進而降低風速對塔筒等部件所造成的影響，從而使系統(tǒng)的整體運行壽命得到延長。由以上分析可看出，實現(xiàn)功率曲線平穩(wěn)、有效控制變槳距槳葉、降低整機重量等方法，能夠較大程度上提高風力發(fā)電系統(tǒng)的核心競爭力，使其在市場競爭中占據(jù)一定位置。但變槳距控制型存在一定弊端，其要求相關(guān)人員必須精準控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與槳葉的銜接，若此期間槳距角產(chǎn)生任何程度的變化，都將引發(fā)系統(tǒng)出現(xiàn)事故，從而提高系統(tǒng)的整體維護效率。

1.2主動失速控制型

主動失速控制型主要指風力機的槳葉在設(shè)計期間依然采用較為特殊的技術(shù)基礎(chǔ)上，對風力機結(jié)構(gòu)的氣動特性進行充分利用，并且輪轂與槳葉依然能夠處于連接狀態(tài)。與此同時，相關(guān)人員在此期間應及時對槳距角形成有效調(diào)節(jié)。如此，不但能夠使主動失速控制降低整機重量，還能夠?qū)崿F(xiàn)輸出功率上的提高，進而從根本上降低機構(gòu)整體的控制難度，使輸出功率得到平穩(wěn)。風力發(fā)電系統(tǒng)的運行環(huán)境存在多變性，多處于高風速、低風速以及剎車制動等環(huán)境下，此環(huán)境期間，風力機能夠?qū)崿F(xiàn)對機構(gòu)的有效控制，實現(xiàn)功率輸出效率的提高，從整體上降低功率損耗現(xiàn)象，進而保證系統(tǒng)控制的整體平穩(wěn)性。近幾年，在風力發(fā)電系統(tǒng)的運行過程中，主動失速控制風力機得到較為廣泛的應用。

1.3定槳距控制型

定槳距控制型顧名思義，主要指風力機運轉(zhuǎn)期間的輪轂與槳葉進行連接，同時運行期間并未與控制系統(tǒng)及銜接機構(gòu)進行連接，此期間風力機的槳距角不會因為風速所產(chǎn)生的而變化而受到限制。槳葉的長度及形狀對輸出功率能夠造成較大影響，換句話說，若想實現(xiàn)對輸出功率的有效控制，必須及時對槳葉的長度及形狀進行合理設(shè)置，槳葉長度越大，功率則越大。在風力呈上升趨勢時，槳葉邊緣的空氣將產(chǎn)生較大變化，此區(qū)域的空氣能夠與槳葉出現(xiàn)渦流效應，此效應也可被成為氣動特性。而控制定槳距，即通過渦流效應實現(xiàn)對機械功率的有效控制，避免其出現(xiàn)功率升高的現(xiàn)象。由此可看出，此類控制能夠?qū)⑾到y(tǒng)的復雜性得到較大程度減小，進而實現(xiàn)安全指數(shù)上的提高。但此類控制存在一定弊端，槳葉在此期間將出現(xiàn)邊長的現(xiàn)象，此現(xiàn)象將導致風力整體的抑制能力受到下降，進而導致槳葉出現(xiàn)變形、損壞等情況。由此可見，大功率機組的應用與設(shè)計較易受到定槳距的制約。

2.直接功率控制的風力發(fā)電系統(tǒng)

直接功率控制主要起始于直接轉(zhuǎn)矩控制。電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制與直接功率控制存在較為直接的關(guān)系，其性質(zhì)存在一致性，二者之間本質(zhì)的區(qū)別即為被控量的差異性。直接轉(zhuǎn)矩控制的被控量即為控制磁鏈及轉(zhuǎn)矩，而直接功率控制與其存在較大不同，其被控量即為雙核感應電機內(nèi)部的定子功率，直接功率控制能夠?qū)ζ溥M行更為直接的控制。由此可見，相比較直接轉(zhuǎn)矩控制，直接功率控制具備徹底性及直接性，能夠較大程度上提高控制功率的有效性，直接功率控制在風電并網(wǎng)的過程中起到較為關(guān)鍵的作用。但直接功率控制依然存在部分問題，如功率脈動大及開關(guān)頻率的變化等，若此類問題無法得到解決，將較大程度上影響風力發(fā)電系統(tǒng)的整體運行效率。因此，改進型的直接功率控制被相繼提出，直接功率控制經(jīng)改進后能夠?qū)鹘y(tǒng)直接功率控制與矢量控制進行有效結(jié)合，充分將傳統(tǒng)的直接功率控制與矢量控制的優(yōu)勢進行結(jié)合，實現(xiàn)變頻器開關(guān)頻率及功率上的減少，從而有效控制恒定開關(guān)頻率，保證風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

針對改進型直接功率控制，主要在直接功率控制的過程中，對空間調(diào)制技術(shù)進行有效應用，同時，通過改進轉(zhuǎn)子磁鏈及電磁及電流轉(zhuǎn)矩的方式，實現(xiàn)對直接空濾控制的改進。據(jù)可靠數(shù)據(jù)表明此種方式能夠較大程度上縮短轉(zhuǎn)子電流振蕩周期，從根本上使發(fā)電品質(zhì)得到提高。同時，我國相關(guān)人員針對直接功率控制的改進也有了不同的研究，即在定子電壓定向坐標系下，通過對功率的具體研究及設(shè)置，使功率能夠在最小采樣周期環(huán)境下，使其與參考值相符合，通過系統(tǒng)相關(guān)的控制理論，在風力發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中，將控制電壓的矢量進行選擇，如此能夠使計算方法所存在的滯后性得到有效消除。據(jù)可靠數(shù)據(jù)表明，此方法能夠較大程度上實現(xiàn)系統(tǒng)相應速度上的增強，從而使系統(tǒng)整體的開關(guān)頻率得到完善。

結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代風電裝機類型中，應用較為廣泛的即為發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)，因此，針對風力發(fā)電系統(tǒng)的具體控制方法進行完善，實現(xiàn)風發(fā)電品質(zhì)及發(fā)電效率上的提高，能夠較大程度上促進風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。近幾年，直接功率控制較為廣泛的被應用于我國風力發(fā)電系統(tǒng)中，但其在運行過程中依存存在部分問題，本文即針對其控制改進措施進行分析，通過改進實現(xiàn)傳統(tǒng)直接功率控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的有效結(jié)合，從根本上實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)運行效率及穩(wěn)定性的提高，實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展。

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