變速恒頻雙饋風力發電機組控制技術研究

張鳳 張曉紅 盧業蕙

摘 要：該文分析了變速恒頻雙饋風力發電系統的運行區域，并針對高低風速區采取不同的控制策略，實現低風速區最大風能追蹤和高風速區的額定功率保持。

關鍵詞：風力發電機組 變速恒頻 控制策略

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-00-01

在當今新能源技術開發中，風電成為最成熟、最具開發利用的發電技術。風電機組是風電系統的重要裝置，直接影響輸出電能的質量和效率，因此選取合適的控制策略是保證系統安全、高效運行的關鍵。

1 變速恒頻雙饋感應風力發電系統

變速恒頻雙饋感應風力發電系統中，風力機通過齒輪箱與發電機轉子相連，發電機定子直接連接到電網，轉子通過變頻器并網。“雙饋”是指發電機的定、轉子同時向電網饋電。

根據不同的風速，風力發電機組主要有五個運行區域，如圖1所示，每個運行區域機組的輸出功率不同。

圖1 雙饋風力發電機組的運行區域

其中，A為并網區；B為最大風能追蹤（MPPT）區域；C為過渡區；D為功率限制區。E為切出停機區。

由于風速的不斷變化，風電機組運行在不同的運行區域。通常將發電機組的運行策略確定為：低風速區域，實現最大風能的追蹤或使發電機的轉速最大。高風速區域，實現發電機組保持額定功率輸出。

2 低風速區風力發電機組的控制策略

（1）矢量控制雙饋發電機組矢量控制的目標是對發電機中復雜變量間的關系解耦，使實現控制變得簡單。基于雙饋發電機的動態數學模型利用基于定子磁鏈定向的矢量控制實現有功功率P和無功功率Q的解耦控制，再分別對其施行閉環控制，實現風電系統的變速恒頻運行和最大風能捕獲[1]。

（2）直接轉矩控制（DTC）直接轉矩控制是通過對感應發電機的磁鏈和轉矩做滯環比較，再適當選擇逆變器的開關狀態實現對發電機轉矩的控制，進而實現對發電機最大轉速的控制。

直接轉矩控制的磁鏈軌跡有兩種形式，一種正六邊形，六條邊對應于六個電壓矢量，通過切換逆變器的開關狀態，實現對磁鏈軌跡的控制[2]；另一種圓形，通過實時計算發電機的轉矩和磁鏈的誤差，結合定子磁鏈的空間位置選擇相應的開關矢量。

（3）滑模變結構控制滑模變結構控制是利用其高速開關特性將系統的相軌跡引導到一個設計好的曲面上，使系統的狀態變量在設計好的的曲面上做滑模運動。雙饋感應發電系統以功率相對誤差作為切平面，實現誤差跟蹤和風能最大捕獲[3]；以力矩為控制信號，解決滑動模切換抖動的問題。

3 高風速區風力發電機組的控制策略

當風速達到或超過額定風速后，風力發電機組進入功率限制區。變槳距控制技術是指通過調節槳葉的節距角，改變氣流對槳葉的攻角，進而控制風輪捕獲的轉矩或者功率，在高風速區域通過對槳葉節距角的調整，調節發電機的輸出功率保持

恒定。

（1）模糊PID控制。模糊PID控制在雙饋風電系統的應用是將控制規則利用模糊集表示成規則庫存入到計算機，計算機根據實際響應狀況進行模糊推理，實現對PID參數的最優調整，改善了系統的動態性能，提高系統的抗干擾性和魯棒性。給定信號為發電機的限制功率或轉速，反饋信號與給定信號比較，對誤差和誤差的變化率進行模糊推理，對PID參數進行調整后發出槳葉節距角信號，控制節距角增大或減小[4]。

（2）H∞魯棒控制。H∞魯棒控制是指在Hardy空間中通過一些性能指標的無窮范數將被控系統的設計問題轉變為H∞范數最小化的問題。在風速和風向不斷變化的情況下，利用魯棒控制器設計的轉速控制器使發電機在設定好的風速范圍內運行，實現在低風速區的最大風能追蹤和高風速區的保持額定功率控制[5]。

4 結語

該文針對不同運行區域的控制目標，分析了風力機特性，研究了實現最大風能追蹤的控制策略，通過調節機組轉矩或轉速，保持最佳葉尖速比，追蹤最佳功率曲線。在高風速區域，對發電機組的變槳距控制技術進行研究，并對各控制方式進行分析總結。

參考文獻

[1] 張志，清靈，朱一凡.變速恒頻雙饋風力發電系統最大風能捕獲[J].電機與控制應用，2010，37（4）：18-21.

[2] 邢作霞，鄭瓊林.雙饋變速恒頻風力發電機組直接轉矩控制[J].遼寧工程技術大學學報，2006，25（4）：556-559.

[3] 劉遠濤，楊俊華，謝景鳳，等.雙饋風力發電機有功功率和無功功率的滑模解耦控制[J].電機與控制應用，2010，37（4）：39-43.

[4] 王江.風力發電變槳距控制技術研究[D].合肥：合肥工業大學，2009.

[5] 張先勇，吳捷，楊金明，等.額定風速以上風力發電機組的恒功率H∞魯棒控制[J].控制理論與應用，2008，25（2）：321-324.