簡談雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器運(yùn)行控制技術(shù)

王彬彬

（中閩（福清）風(fēng)電有限公司，福建 福州 350000）

風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源的一種，近年來發(fā)展規(guī)模不斷擴(kuò)大，且風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)技術(shù)水平也得到了全面的進(jìn)步。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，其性能和控制技術(shù)對整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。變頻器作為調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出頻率的關(guān)鍵設(shè)備，變頻器的工作原理在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用場景極為豐富，在提高雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)速度和降低能量損失方面具有關(guān)鍵性的作用。文章以雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對象，深入剖析其基本原理，分析在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)中，變頻器運(yùn)行控制技術(shù)的應(yīng)用方法，以及具體的算法優(yōu)化策略，通過對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)深入研究，為風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提供有益的理論支持，為未來的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有力參考。

1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有高效能轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定性強(qiáng)、適應(yīng)性廣泛的應(yīng)用優(yōu)勢，且由于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和工作原理在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。相比于其他類型的發(fā)電機(jī)而言，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用了雙饋結(jié)構(gòu)，即在轉(zhuǎn)子和定子回路上均設(shè)置了可調(diào)諧的功率電子變流器，雙饋結(jié)構(gòu)使得發(fā)電機(jī)在變化的風(fēng)速條件下能夠更為靈活地調(diào)整輸出功率，提高了能量轉(zhuǎn)換的效率。在實(shí)際應(yīng)用過程中，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠更好地適應(yīng)風(fēng)力資源的波動，實(shí)現(xiàn)更高水平的發(fā)電效益。

一方面，由于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有雙重饋電回路，使得系統(tǒng)對外界擾動有較強(qiáng)的抗干擾能力，使得發(fā)電機(jī)在面對風(fēng)力波動、電網(wǎng)波動等外部影響時(shí)，能夠更為平穩(wěn)地輸出電能，提高了風(fēng)電系統(tǒng)的整體可靠性，實(shí)際應(yīng)用過程中對于電網(wǎng)接入和穩(wěn)定供電至關(guān)重要，尤其是在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的情境下，能夠有效降低系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)可調(diào)節(jié)的功率電子變流器使得系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)不同運(yùn)行條件，不僅能夠在不同風(fēng)速下實(shí)現(xiàn)最佳功率輸出，還能夠在電網(wǎng)電壓或頻率波動時(shí)靈活調(diào)整發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其本身具有的靈活性使得雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)適用于各種地理環(huán)境和電網(wǎng)接入條件，為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了更多可能性。

2 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器的功能

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的核心組成部分，也是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要保障，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器可以調(diào)整和控制發(fā)電機(jī)輸出功率，從而起到多功能的調(diào)節(jié)控制效應(yīng)，確保雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠更好地服務(wù)生產(chǎn)實(shí)際。

首先，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在應(yīng)用過程中，隨著風(fēng)速的變化，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也需要相應(yīng)調(diào)整以確保在不同風(fēng)速條件下能夠獲得最佳功率輸出，而變頻器通過調(diào)整電機(jī)的頻率，使得發(fā)電機(jī)能夠以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而適應(yīng)不同的風(fēng)能輸入。其次，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在工作階段，為了將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成適應(yīng)電網(wǎng)要求的電能，變頻器將發(fā)電機(jī)輸出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的交流電，通過變頻器可以確保風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)@得的風(fēng)能有效地注入電網(wǎng)。此外，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器通過控制電流，變頻器能夠調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出功率，以適應(yīng)電網(wǎng)的需求，并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在很大程度上可以確保發(fā)電機(jī)在各種工作條件下能夠穩(wěn)定運(yùn)行。最后，在電網(wǎng)接入時(shí)，變頻器還負(fù)責(zé)對發(fā)電機(jī)輸出的電壓進(jìn)行控制，通過調(diào)整電壓水平，使得發(fā)電機(jī)的輸出電能能夠平穩(wěn)地注入電網(wǎng)中。除此之外，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為電氣設(shè)備，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)中，故障監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用尤為重要，變頻器具備故障保護(hù)功能，實(shí)際應(yīng)用能夠監(jiān)測發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻機(jī)在工作中檢測到雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的異常情況，可以及時(shí)采取保護(hù)措施，防止系統(tǒng)受損。

3 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器運(yùn)行控制技術(shù)

3.1 變頻調(diào)節(jié)

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中，為了最大化捕獲風(fēng)能，提高整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率而采用的關(guān)鍵控制手段。通過變頻器的運(yùn)行控制技術(shù)，可以控制發(fā)電機(jī)的輸出頻率來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)整，從而使得發(fā)電機(jī)能夠在不同風(fēng)速條件下高效運(yùn)行。

首先，采用變頻調(diào)節(jié)的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠更加靈活地調(diào)整輸出頻率，從而在不同風(fēng)速下獲得更高的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)更大的功率輸出。具體而言，隨著風(fēng)速的波動，傳統(tǒng)的固定速度發(fā)電機(jī)可能無法適應(yīng)這種變化，變頻調(diào)節(jié)的核心目標(biāo)是在不同風(fēng)速情況下調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)。其次，變頻調(diào)節(jié)過程中的頻率控制階段，變頻器可以調(diào)整輸入電源的頻率，從而改變發(fā)電機(jī)的輸出頻率。在風(fēng)速較低時(shí)，通過增加頻率，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以提高，以適應(yīng)更高的風(fēng)能輸入。相反，在風(fēng)速較高時(shí)，通過降低頻率，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以降低，以避免過載運(yùn)行。此外，在電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，一般會要求發(fā)電機(jī)的輸出頻率與電網(wǎng)頻率保持同步。變頻調(diào)節(jié)技術(shù)可以通過實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出頻率，確保與電網(wǎng)同步運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的電能注入電網(wǎng)，維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

3.2 MPTT 控制

MPTT 控制的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在不同風(fēng)速條件下，追蹤并維持發(fā)電機(jī)的最大功率點(diǎn)，從而最大程度提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，該技術(shù)通過精確調(diào)整發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)，使其在各種風(fēng)速變化中都能夠以最優(yōu)的方式將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。

具體而言，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測和反饋機(jī)制尤為重要，而雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器能夠使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠適應(yīng)瞬時(shí)的風(fēng)速變化，最大化地捕捉可用的風(fēng)能。MPTT 控制通過實(shí)時(shí)監(jiān)測這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)的算法和傳感器來監(jiān)測風(fēng)速、轉(zhuǎn)速和輸出功率等參數(shù)，確保控制系統(tǒng)能夠精確地計(jì)算當(dāng)前工作點(diǎn)的最大功率點(diǎn)。一方面，在風(fēng)速較低時(shí)，系統(tǒng)可以通過調(diào)整葉片角度來提高轉(zhuǎn)速，以達(dá)到更高的功率輸出。而在風(fēng)速較高時(shí)，系統(tǒng)可以通過適時(shí)調(diào)整變頻器參數(shù)，降低轉(zhuǎn)速，以避免過載運(yùn)行。MPTT 控制通過調(diào)整雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片角度和變頻器參數(shù)等來實(shí)現(xiàn)對最大功率點(diǎn)的追蹤，動態(tài)調(diào)整的過程需要高度靈活的MPTT 控制策略，確保系統(tǒng)在不同工況下都能夠達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。另一方面，MPTT 技術(shù)的核心應(yīng)用在于維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性，并盡可能提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。MPTT 控制技術(shù)通過調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出功率，使其與電網(wǎng)的要求相匹配，確保平穩(wěn)地將電能注入電網(wǎng)，在實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的有效匹配方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

3.3 風(fēng)機(jī)側(cè)電壓控制

風(fēng)機(jī)側(cè)電壓控制是在電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行的一項(xiàng)控制策略，其關(guān)鍵目標(biāo)是保證發(fā)電機(jī)輸出的電壓符合電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，防止對電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響。在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器運(yùn)行控制中，風(fēng)機(jī)側(cè)電壓控制技術(shù)通過對風(fēng)機(jī)側(cè)電壓進(jìn)行調(diào)控，可以最大程度上確保風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)能夠提供穩(wěn)定的電壓輸出，維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

首先，在電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，電壓的穩(wěn)定性對于維持電網(wǎng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓，并根據(jù)電網(wǎng)的要求進(jìn)行調(diào)整，風(fēng)機(jī)側(cè)電壓控制技術(shù)確保發(fā)電機(jī)提供的電壓始終在可接受的范圍內(nèi)，避免因電壓波動引起的電網(wǎng)不穩(wěn)定問題。而風(fēng)機(jī)側(cè)電壓控制技術(shù)采用先進(jìn)的電氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，監(jiān)測和調(diào)整風(fēng)機(jī)輸出的電壓水平。其次，風(fēng)機(jī)側(cè)電壓控制還通過對發(fā)電機(jī)的電磁特性進(jìn)行調(diào)整，這種調(diào)整是通過變頻器對電機(jī)輸出進(jìn)行精確控制實(shí)現(xiàn)的，確保發(fā)電機(jī)能夠適應(yīng)電網(wǎng)的工作頻率，并提供與電網(wǎng)同步的電壓輸出，使得輸出電壓符合電網(wǎng)頻率和電壓的要求，對于保證電力系統(tǒng)中的各個(gè)組件協(xié)調(diào)運(yùn)行，防止電網(wǎng)波動，具有重要意義。除此之外，風(fēng)機(jī)側(cè)電壓控制技術(shù)還在電壓下降或電壓過高的情況下進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)和調(diào)整，通過監(jiān)測電網(wǎng)電壓的變化，系統(tǒng)能夠迅速調(diào)整發(fā)電機(jī)的電壓輸出，確保系統(tǒng)在電網(wǎng)并網(wǎng)的過程中不會對電網(wǎng)造成過大的電壓波動，維持電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

4 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器運(yùn)行控制算法

4.1 PI 控制算法

在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，PI 控制算法被廣泛應(yīng)用于電流和電壓的調(diào)節(jié)，以確保系統(tǒng)在不同工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。PI 控制屬于經(jīng)典的反饋控制算法，通過對系統(tǒng)的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對輸出精確控制。

Pl 控制通過比例項(xiàng)（P）和積分項(xiàng)（I）來調(diào)整系統(tǒng)的輸出，以最終消除誤差并保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

系統(tǒng)輸出（控制量）：控制量（u(）由比例項(xiàng)和積分項(xiàng)的和組成，即：

其中：

u(t)是控制量（輸出）。

e(t)是誤差信號，表示期望值與實(shí)際值之間的差異，e(t)=r(t)-y(t)。

Kp是比例增益，控制比例項(xiàng)的權(quán)重。

Ki是積分增益，控制積分項(xiàng)的權(quán)重。

誤差積分項(xiàng)：

積分項(xiàng)用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，其表達(dá)式為：

該項(xiàng)的積分操作對誤差信號進(jìn)行累積，以確保系統(tǒng)能夠逐漸消除任何持續(xù)的偏差。

控制器輸出：

控制器的最終輸出是比例項(xiàng)和積分項(xiàng)的和，即：

一方面，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)中電流的穩(wěn)定性對于保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要，而PI 控制算法通過測量實(shí)際電流與期望電流之間的誤差，并根據(jù)誤差的大小和變化率來調(diào)整控制信號，使實(shí)際電流迅速趨向期望值，從而維持系統(tǒng)的電流穩(wěn)定性。另一方面，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，PI 控制算法通過監(jiān)測電壓誤差，并通過比例項(xiàng)和積分項(xiàng)的結(jié)合來調(diào)整變頻器的輸出，以使輸出電壓維持在電網(wǎng)要求的合理范圍內(nèi)。除此之外，PI 控制能夠處理系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)誤差，使得PI控制算法在應(yīng)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)變化時(shí)表現(xiàn)出色，有效提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性，并通過積分操作來逐漸消除這些誤差。

4.2 模型預(yù)測控制算法

在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，MPC 算法以其靈活性和高度精確的控制特性，為系統(tǒng)提供了有效的運(yùn)行保障。具體而言，模型預(yù)測控制（MPC）算法是一種先進(jìn)的控制策略，其核心思想是通過建立系統(tǒng)動態(tài)模型，預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)行為，并在每個(gè)時(shí)間步上進(jìn)行優(yōu)化控制。

MPC 算法通過建立雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，考慮系統(tǒng)的非線性特性和各種約束條件，包括電機(jī)的物理約束、電流和電壓的限制等，模型將系統(tǒng)的輸入（控制信號）與輸出（狀態(tài)變量）關(guān)聯(lián)起來，形成了一個(gè)多變量優(yōu)化問題。首先，MPC 算法通過考慮系統(tǒng)的時(shí)間動態(tài)性，能夠提前對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，從而具備更好的預(yù)測性能，精準(zhǔn)的預(yù)測性能使得MPC 能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)擾動或變化時(shí)更靈活地作出響應(yīng)，確保系統(tǒng)能夠迅速適應(yīng)新的工作條件。其次，MPC 算法在每個(gè)時(shí)間步上進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)的優(yōu)化控制，以使系統(tǒng)的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，從而調(diào)整雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電流、電壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，最大程度提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率、維持電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定性。最后，根據(jù)反饋的控制結(jié)果輸出對應(yīng)的參數(shù)，綜合考慮系統(tǒng)的非線性特性和各種約束條件，為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器系統(tǒng)的運(yùn)行提供了高效控制。

5 結(jié)語

綜上所述，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器運(yùn)行控制階段，通過變頻器的變頻調(diào)節(jié)、最大功率點(diǎn)追蹤（MPTT）控制，以及風(fēng)機(jī)側(cè)電壓的控制，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作效率的全面提升，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器控制技術(shù)在具體應(yīng)用過程中通過PI 控制算法，以及模型預(yù)測控制（MPC）的算法整合，實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速和電網(wǎng)條件下的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，其中，PI 控制算法通過比例和積分項(xiàng)的調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)在瞬時(shí)和穩(wěn)態(tài)下的優(yōu)越性能，MPC 算法則通過建模、預(yù)測和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。總而言之，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在復(fù)雜多變的環(huán)境中展現(xiàn)出卓越的適應(yīng)性和可靠性，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變頻器運(yùn)行控制技術(shù)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)更高性能和更可靠運(yùn)行的需求，同時(shí)也服務(wù)于推動清潔能源技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源做出貢獻(xiàn)。