直驅風電系統變流器控制技術研究

摘 要:直驅風電系統變流器控制技術的全面應用可以提升風電能量轉化效率，為電網輸出優質電能創造有利的條件。通過對背靠背雙PWM全功率變流器技術分析，可以更好的對風電變流器進行電流控制，最終可以找出最優的控制方案，具體為網側變流器控制技術、電機側變流控制技術，二者的有效利用對優化直驅風電系統電流控制具有十分重要的價值。

關鍵詞:直驅風電系統 變流器 控制

中圖分類號:TM46;TM614文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)07(b)-0086-01

1 引言

風力發電和電網連接過程中把電力電子變流器作為接口，因此在直驅風電系統中發揮重要的作用，一方面可以對電網輸出優質的電能，另一方面對風力發電機進行全面控制，同時還需要對低電壓穿越功能進行實現。因此對并網風力發電裝置提出了新的要求，此類要求主要包括無功功率控制、有功功率控制、頻率控制、電壓、電能質量控制、故障穿越功能控制等。此類控制模式要求風力發電需要逐步承擔類似傳統火力發電場的基本功能，也是新能源創新發展的一個重要方向[1]。

當前所使用的背靠背雙PWM全功率變流器在直驅風電系統控制過程中發揮重要的作用，具有良好的功能和性能。因此需要以背靠背雙PWM全功率變流器為直驅風電系統研究對象，從而能夠更好的找出側網變流器控制基本策略，對系統故障穿越控制策略也、機側變流器控制策略實施產生重要的作用。

2 背靠背雙PWM全功率變流器技術分析

直驅風電系統的背靠背雙PWM全功率變流器在電力系統全功率控制過程中發揮重要的作用，其由兩個三相電壓型變流器電路構成，發電機定子主要是通過背靠背變流器與電網進行連接。發電機側PWM變流器主要是通過調節定子側的q軸和d軸的電流，最終能夠對發動機定子的無功功率和電磁轉矩進行控制，在無功功率的情況下把其值設為0，發電機運行過程中需要讓變速器處于恒頻狀態，額定風速下需要對風能進行有效的捕捉，從而能夠獲取有效的電能[2]。網側PWM變流器需要對d軸和q軸電流進行調節和控制，從而能夠保持直流側電壓處于穩定狀態，最終能夠對無功功率和有功功率進行解耦控制，電流運行過程中通常在單位功率因數狀態，因此系統設計過程中需要提高注入電網的電網質量。

3 直驅風電系統電機側變流器控制策略

值驅風電系統電氣側變流器需要對電機進行全面的控制，具體研究過程中需要以電機為研究對象，對電機能量輸入變流進行控制，主要是采取電磁轉矩控制技術。因此電機側變流器控制主要對永磁同步電機進行控制，然后通過建模的方法對電流運行狀況進行分析。直驅風電系統主要控制策略包括無速度傳感器控制策略、直接轉矩控制策略、電機矢量控制策略、直接功率控制策略，通過對電機進行全面控制可以提高風能的整體利用率。風力利用率是風電系統實施過程中的重要指標，需要對最大功率點進行有效性控制，其中最典型的方法包括功率反饋法、葉端速比法、登山搜索法等。

3.1 從葉端速比法角度分析

葉端速比法控制過程中主要比較直觀、簡單，但是在實施過程中需要測量風輪上的風速，對精確風速的測算是比較難實現的事情。另外最優功率值與風電機和風機都有很大的關系，因此在不同的系統中采取不同的控制模式，通過風速控制，可以檢測負載功率，從而能夠形成風力能源系統，保證對系統變流器進行全面控制。

3.2 從登山搜索法角度分析

登山搜索法可以對風電系統變流器進行有效性控制，一般情況下把其結合到機側變流器控制策略中，主要通過網側變流器對電流進行直接和間接控制。登山搜索法控制算法擁有自身的優勢，具體實施過程中與發電機和風機特性無關，從變速風機角度看，不需要對其進行預先實驗和計算，可以對系統方便的控制[3]。設計過程中不需要對風速進行測量，因此控制器構成相對比較準確簡單，小慣量系統可以直接使用，如果是較大慣量系統需要與最大功率點跟蹤控制法結合在一起，從而能夠找出最佳響應時間點。

4 直驅網側變流器控制策略

三相電壓型PWM變流器對電流器控制，可以保持電流穩定，提高風力發電的能量轉變效率。此技術近幾年廣泛應用于并網發電等場合，其數學模型、設計方法、控制策略已經成為當前研究的重點。網側控制器最終目標是對電網電流進行控制，電流控制過程中可以達到快速動態響應和穩態精度效果。控制策略實施過程中可以分為直接電流控制和間接電流控制兩種。間接電流控制其實是對變流器交流側輸出電壓的相位和幅值進行控制，不對電流進行信息反饋，因此實施過程中會不可避免的出現網側電流動態響應慢的問題，同時對系統參數的變化情況反映速度處于很低的狀態，當前需要對其進行優化改進，采取直接電流控制技術，從而能夠有效避免響應速度慢的問題[4]。從直驅風電系統性能控制角度看，各種控制方法都有自身的優缺點，在不同的場合下采取不同的方法，這樣可以取長補短、相互結合。電流控制過程中還可以采取模糊控制、預測控制、人工神經網絡控制等方法，但是這些方法在實現過程中相對比較復雜，實時性差，因此可以采取一些新的方法，把其運用到電力電子裝置中去，具體為。

4.1 重復控制技術

重復控制技術主要從內模角度對電流控制，從理論角度看是對諧波信號進行無差錯控制，其原理運用中主要是對重復內模進行諧波信號檢測，主要是以電網在周期為步長進行積分測量，從而能夠提高風力發電的整體效益。諧波信號具有重復周期性的特點，所以可以通過周期延時策略，運用超前環節低效開環系統的相互滯后問題，最終能夠滿足直驅風電系統穩定性的基本要求。重復控制實施過程中最大的優點是能夠對全頻段的諧波進行高精度有效性控制，并且對系統結構要求不高，簡單結構便能實現其功能，具有實現簡單、適用于不同模式的諧波應用場合。

4.2 比例諧波控制技術

比例諧波控制與重復控制存在很多的差異性，控制器可以對諧波信號進行分析，保證其處于高增益的狀態，并且能夠對其進行內模控制[5]。而兩者也存在一定的區別，諧波控制器主要是對某一個特定諧波進行無差異性控制，如果需要對若干個諧波信號進行跟蹤處理，必須與控制器的數量對應起來，因此造成整個系統結構比較復雜，而實現起來存在很大的難度，而重復控制使用過程中只需要一個內模便可對所有的諧波進行有效性控制，因此整個系統結構簡單，諧波控制數字實現過程中對程序算法的精度要求比較高，因此出現差錯的幾率較小。

5 結語

直驅風電系統技術在風電領域已經得到重要的應用，但是其技術實現還存在很多的缺陷，這將是未來研究的方向。系統實施過程主要從直驅風電系統機側變流器控制策略、故障穿越控制策略、網側變流器控制策略等方面進行技術分析，并且對未來技術發展趨勢進行分析，為后續研究工作的順利開展奠定了重要基礎。

參考文獻

[1] 張笑微，李永東，劉軍.PWM整流器電流控制策略的研究[J].電工技術雜志，2003(12).