永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓控制策略研究

孟立強(qiáng)

（新疆龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

能源作為國家重要的管控內(nèi)容之一，與國家的民生和經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，國家的發(fā)展進(jìn)步離不開能源的利用，在石化能源等不可再生能源持續(xù)消耗的情況下，開發(fā)可持續(xù)發(fā)展的清潔環(huán)保能源，成為當(dāng)前主要的研究內(nèi)容之一。在全球發(fā)展范圍內(nèi)，實現(xiàn)碳達(dá)峰以及碳中和，推動世界范圍內(nèi)的可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)前首要的任務(wù)。電能作為能源中的主要能源之一，電能的發(fā)電方式可以是風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、火力發(fā)電等，在這些發(fā)電方式中，風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電作為清潔能源的發(fā)電方式之一，被世界各國看好，如何利用風(fēng)能以及太陽能進(jìn)行發(fā)電，并為全球各國持續(xù)提供能源，發(fā)展世界經(jīng)濟(jì)，已成為當(dāng)前各國主要研究的內(nèi)容之一。隨著風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝容量持續(xù)上升，新增風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝容量也在世界名列前茅，隨著風(fēng)和太陽能利用率的不斷攀升，我國的新能源利用率和滲透率明顯出現(xiàn)提升，為國家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以及太陽能發(fā)電技術(shù)的不斷入網(wǎng)，為電網(wǎng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，造成了一定的影響，目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的主要類型為永磁同步發(fā)電機(jī)，隨著國家電網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，風(fēng)能發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電機(jī)組對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了一定的影響。首先是由于風(fēng)能和光能的不確定性，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成了一定的擾動；其次是由于風(fēng)能發(fā)電機(jī)組與光能發(fā)電機(jī)組的頻率不同，增加了電網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)荷，增加了電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的次數(shù)，提升了可能發(fā)生連鎖故障的機(jī)率；同時風(fēng)能發(fā)電機(jī)組和光能發(fā)電機(jī)所在電壓輸出側(cè)的穩(wěn)定性也有待提升，輸出電壓的不穩(wěn)定性也會造成電網(wǎng)安全運(yùn)行的隱患，本文以風(fēng)

能發(fā)電機(jī)組為例，闡述如何在電壓側(cè)進(jìn)行控制，從而更好地穩(wěn)定電網(wǎng)的安全運(yùn)行效率。

1 風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀

風(fēng)能作為全球能源中重要的清潔能源，世界各地都致力于利用風(fēng)能發(fā)電，全世界的風(fēng)能發(fā)電量穩(wěn)步上升，截至2020年底，世界范圍內(nèi)主要的風(fēng)能發(fā)電的發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)量中，排名第一的我國共計278324兆瓦，2020年新增發(fā)電裝機(jī)總量排名第一的也是我國共計48940兆瓦，具體的前10名見表1所示。

表1 2020年風(fēng)電機(jī)裝機(jī)容量總量和新增

風(fēng)力發(fā)電作為全球最主要的商業(yè)發(fā)電之一，行業(yè)發(fā)展規(guī)模巨大，生產(chǎn)條件成熟，具有較強(qiáng)的發(fā)展前景，而且風(fēng)能的儲電量巨大，我國2021年，發(fā)電的總量達(dá)到了6526億千瓦，與2020年相比，同步增加了將近40%，2014～2021年，我國的風(fēng)力發(fā)電總量穩(wěn)定逐步上升，具體圖1所示。

圖1 2014-2021年風(fēng)力發(fā)電總量（億千瓦）

風(fēng)能作為重要清潔能源之一，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中，尤其是風(fēng)能發(fā)電的總量，在我國的總發(fā)電量中占比逐年上升，截至2021年底，我國風(fēng)電機(jī)發(fā)電總量占全國發(fā)電總量的8.04%，利用風(fēng)能發(fā)電能實現(xiàn)全球碳中和目標(biāo)，具體見圖2所示。

圖2 2014-2021年風(fēng)能發(fā)電總量占全國發(fā)電總量百分比

近年來，隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，低碳發(fā)展理念已實現(xiàn)完全滲透，新能源發(fā)電取已取得重大進(jìn)展，風(fēng)電、光伏普及率逐步攀升，尤其在西北部地區(qū)，新能源發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)到當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷的100%。《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》對新能源并網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)提出了嚴(yán)格的要求，限制了電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長。而在電力工程項目應(yīng)用實際中，能源型應(yīng)用是以光伏應(yīng)用為主，而對于功率型應(yīng)用則以風(fēng)能為主。電化學(xué)儲能因具備響應(yīng)快、爬坡率高等優(yōu)勢，在大規(guī)模新能源并網(wǎng)中發(fā)揮出巨大作用，在降低新能源裝置變異性、提高可控性、可規(guī)劃性方面發(fā)揮了重要作用。因此，將電化學(xué)儲能技術(shù)廣泛應(yīng)用于大規(guī)模新能源并網(wǎng)中，不僅能有效提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，還能提高并網(wǎng)電能質(zhì)量，保障新能源滲透率。

2 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型

由風(fēng)電機(jī)的工作原理可以知道，風(fēng)力機(jī)在獲得有效功率的時候，可以用以下公式進(jìn)行表示：

式中，Rm為有效功率；RW為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片半徑；ρ為空氣的密度；vw為空氣中的風(fēng)速；CP為風(fēng)能可利用系數(shù)，風(fēng)能可利用系數(shù)的計算公式為：

式中，β為風(fēng)電機(jī)的槳距角；ωw為風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；λ為風(fēng)電機(jī)的葉尖速比，根據(jù)公式（1）和公式（2），最終風(fēng)電機(jī)的有效功率Pm可以用風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速一起表示，具體公式如（3）：

3 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓控制策略

3.1 風(fēng)電機(jī)組功率波動引起電壓閃變的機(jī)理

3.1.1 閃變機(jī)理

并網(wǎng)電壓的波動受到風(fēng)電機(jī)組的輸出功率影響，風(fēng)力電壓的輸出功率不穩(wěn)定，容易造成輸出電壓的不穩(wěn)定，從而造成并網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定，由于風(fēng)的特性，風(fēng)電機(jī)組在發(fā)電過程中會造成一定的抖動，出現(xiàn)功率波動見圖3所示。電壓向量，是并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組出口電壓向量，為電流

圖3中的R1是線路電阻，X1是線路電抗，是電網(wǎng)的有功向量，是電流無功向量。

圖3 從上到下分別為等值電路圖、有功電流引起的電壓降落、無功電流引起的電壓降落

3.1.2 電壓波動

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電壓輸出側(cè)進(jìn)行電壓并網(wǎng)時，可能會影響短時間內(nèi)的電壓波動變化，而造成電壓波動變化的原因極有可能是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特性導(dǎo)致，利用相對電壓變動量對電壓波動進(jìn)行表示，具體的公式如下：

式中，Umax表示為最大的相鄰電壓；Umin為最小的相鄰電壓值；UN為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定電壓值，電壓的波動由功率波動進(jìn)行推算，也就是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率進(jìn)行聯(lián)合計算，公式如下：

3.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

電網(wǎng)側(cè)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出電壓在與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器進(jìn)行能量交換時，主要的交換方式，可以通過直流鏈路電壓進(jìn)行表示，具體的表示過程如下：

這種控制方式，實現(xiàn)功率因數(shù)和定子側(cè)電壓為零的方式，即vds=0，在調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓時，電網(wǎng)側(cè)也應(yīng)該做出相應(yīng)的調(diào)整，與傳統(tǒng)的功率因數(shù)控制相比較，改良的功率因數(shù)可以通過PI環(huán)節(jié)的鏈路電壓得到，然后可以通過對內(nèi)環(huán)電流的控制，實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電及負(fù)載的電流補(bǔ)償，從而最終完成對風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓的控制和擾動補(bǔ)償。

3.3 變槳距控制

通過控制風(fēng)能利用系數(shù)可以改變?nèi)~尖速比，從而進(jìn)行有效功率的調(diào)整。從上述公式（1）中可知，變槳距與風(fēng)能利用系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，也就是說，當(dāng)CP逐漸變小時，變槳距角β也會隨之增大。設(shè)定風(fēng)速恒定的條件，通過調(diào)節(jié)控制風(fēng)電機(jī)葉片與輪轂的鏈接處，改變變槳距驅(qū)動系統(tǒng)，達(dá)到調(diào)節(jié)變槳距的目的。將所有葉片的角度進(jìn)行調(diào)整，控制在同一中軸線上，達(dá)到同步轉(zhuǎn)動的目的。風(fēng)電機(jī)啟動時，利用風(fēng)能對葉片的作用，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)的風(fēng)力捕獲量，控制風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間為運(yùn)行穩(wěn)定性。超過額定風(fēng)速值時，適當(dāng)降低風(fēng)力捕獲量，保證穩(wěn)定機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，降低風(fēng)力捕獲量可以利用調(diào)節(jié)變槳距角，保證風(fēng)力發(fā)電的電壓穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

綜上，作為新能源發(fā)電技術(shù)中最主要的一種發(fā)電技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用前景更為廣泛，同時風(fēng)能發(fā)電的技術(shù)更為成熟規(guī)模也更為巨大，隨著發(fā)電機(jī)的研制成效不斷提升，發(fā)電技術(shù)也在不斷進(jìn)步，發(fā)電的能力也在穩(wěn)步提升，同時發(fā)電能量的儲存與生產(chǎn)效率也在穩(wěn)步提升，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在風(fēng)力發(fā)電供應(yīng)中更為廣泛，主要是因為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)良特性，能夠更好地提升發(fā)電的效率以及保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

目前控制永磁直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)的主要方式有很多，主要目的是為了提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和安全穩(wěn)定性，例如可以通過定子軸零電流控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電壓，也可以利用最大轉(zhuǎn)矩電流比對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電壓進(jìn)行控制，在利用這些控制方法的過程中，需要加強(qiáng)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，本文主要分析了電流以及變流器等方面的措施，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行電壓控制，同時利用矢量技術(shù)和變槳距控制，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電壓控制在更為穩(wěn)定的狀態(tài)，從而更好地實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)和技術(shù)的提升。