雙饋風力發電系統最大風能控制策略研究

摘要：風力發電是一種新型的綠色能源，正逐漸成為世界各國爭相開發的新技術能源。近幾年來，隨著科學技術的進步，變速雙饋風力發電技術在風力發電中得到廣泛應用。該技術能夠最大限度地捕獲風能，同時還能夠實現發電機組與電網之間的柔性聯接，提高風力發電系統運行的動靜態穩定性。針對雙饋風力機捕獲最大風能的工作原理進行簡單闡述，重點討論雙饋風力發電機組的控制策略，最后通過系統仿真驗證雙饋發電機的運行性能。

關鍵詞：雙饋風力發電系統；風能控制；優化策略

作者簡介：于水（1981-），男，北京人，中國電能成套設備有限公司，工程師。（北京 100080）

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）29-0233-02

近幾年來，隨著國際工業化進程的加快，全球氣候逐漸變暖，環境污染日益嚴重，支撐工業化進程的常規能源面臨枯竭的危險。因此，利用可再生的風能進行發電能夠有效延緩煤炭以及石油、天然氣等常規能源的枯竭。

雙饋恒頻發電是20世紀末發展起來的一種新型發電模式，主要是電子技術以及矢量變換控制技術、微機信息處理技術在發電技術中的綜合應用。到目前為止，[1]為提高雙饋風力發電機組的工作效率，在控制方法上主要有爬山法、功率信號反饋控制以及葉尖速比等方法。然而，上述幾種方法幾乎都忽略了雙饋發電機組本身的效率。也就是說，即使風機能夠捕獲到比較大的風能，但是發電系統對電網輸出的有功功率還是會隨著電機效率的不同而出現差異。因此，本文在風機如何捕獲最大風能的基礎上提出了雙饋風力發電機組的風能控制策略。

一、雙饋風力機捕獲最大風能的工作原理

根據貝茨原理，[2]風力發電機的吸收機械功率和啟動轉矩為：

Pr=Cp（β，λ）ρπR2V3w

Tm=CT（β，λ）ρπR3V2W

在貝茨原理中，極限值為59.3%，其中VW為風速，R為葉輪半徑，Pr為葉輪吸收的機械功率，Tm是葉輪的啟動轉矩，Cp是風力機的功率系數，CT是啟動轉矩系數。根據上面兩個公式能夠看出，在風機的運行過程中，除葉輪本身的直徑及功率系數和啟動轉矩系數外，葉輪吸收的機械功率以及啟動轉矩受風速的影響比較大。[3]

圖1為不同風速下風機的輸出功率特殊曲線圖，其中Wm是葉輪的角速度，從圖中能夠看出，在相同風速下不同的轉速會使葉輪輸出的功率大不相同。因此，要想實現最大的風能追蹤，使風機運行在最佳的功率曲線上就必須在風速變化時根據實際情況調節葉輪轉速。然而，在實際風電場中測得準確風速數據有一定難度，因此必須尋找一種不依靠風速的控制方法。

二、雙饋風力發電系統的風能控制研究

實現雙饋風力發電系統的風能控制研究主要是從控制雙饋發電機的直接轉矩、模糊邏輯控制、勵磁控制以及自適應最優模糊控制這四部分來實現的。

1.自適應最優模糊控制

自適應最優模糊控制主要是用于非線性以及多變量的復雜對象，同時收斂的速度比較快，其原理是在控制的過程中不斷調整自己的控制規則來進行修正，然后達到改善控制性能的目的。[4]根據這一控制原理，控制器的設計采用模糊聚類算法進行自適應最優模糊控制。通過自適應最優模糊控制方法能夠很好地控制發電機的電磁轉矩指令?？刂破髦饕蓛刹糠纸M成，分別是控制器和辨識器。自適應最優模糊控制作為風力發電機組速度調節的一部分，在速度調節上有著重要作用。首先，使用辨識器將自適應函數靠近到未知的非線性函數中，然后辨識器得到的非線性函數復制到控制器中，實現其風能的最大控制。如圖2所示：

2.模糊邏輯控制

模糊邏輯控制原理主要是通過實時改變發電機轉速增量，同時檢測功率變化來感知風機當前工作點，從而確定新的轉速增量，利用這樣的搜索，使工作點穩定在當前風速下的功率曲線值左右。[5]進行模糊邏輯控制的輸入量是有功功率以及增量、高速轉軸以及增量；輸出量是發電機在額定風速以下時的參考轉速增量，通過參考轉速增量從而得到參考轉速。輸入以及輸出量在經過正規的劃分以后可以得到7個模糊集，分別為正中、正大、正小；負中、負大、負小；零。利用模糊邏輯控制得到可以控制的參考轉速值，從而使風力發電系統在定向的風力下捕獲最大的風能。[5]但是，需要注意的是當參考的轉速過大時也會相應引起風力機組震蕩，遇到這種現象應該適當調整模糊邏輯控制系數，從而獲得合適的參考轉速值。

3.控制雙饋發電機的直接轉矩

控制雙饋發電機直接轉矩的原理主要是利用轉子磁鏈的速度，達到控制發電機的輸出功率目的。控制雙饋發電機的直接轉矩系統有外環以及內環組成，將反饋信號以及轉速的參考值進行比較，得到一個偏差；將偏差值輸入到速度調節器中就會得到轉矩指令信號；將該信號與實際的點刺轉矩進行比較，又得到一個偏差值；將該偏差值輸入到電壓源逆變器中，得到轉矩電流分量。這個轉矩電流分量能夠使風機轉速捕獲最大的風能。

4.勵磁控制

進行勵磁控制能夠實現雙饋發電機轉子電流上的變化規律，從而真正保證最大風能以及最小消耗。通過運用轉子電流分量的最優數學模型以及勵磁控制模型能夠設計出雙饋風力發電系統最大風能捕獲以及轉換的控制框圖。勵磁控制中雙饋發電機采用轉子電流閉環的形式，首先通過公示計算從而得到最大風能捕獲時轉子電流的數值，其次通過另一公示計算銅耗的最小運行的轉子電流，再次將計算得出的數值與實際測量得到的轉子電流反饋值進行比較，將比較得到的偏差輸入到電流調節器中，通過電流調節器得到電壓的解耦分量以及電壓補償分量，最后利用坐標進行變換得到雙饋電子發電機轉子的三相電壓控制指令。與傳統的功率控制相比，勵磁控制能夠減少無功功率以及有功功率的控制，過程比較簡單，從而最大限度控制風能，提高風電系統的工作效率。

三、系統仿真驗證雙饋發電機運行性能

主要是利用Matlab/Simulink軟件對雙饋發電機組系統進行仿真實驗，[6]在仿真過程中主要是采用了隨機風模型，并且在這種情況下，將發電機轉速以及電磁轉矩的變化仿真出來，通過仿真的結果對控制器的最大風能追蹤能力進行驗證，得出本文所使用的控制策略均與相關理論相符合，表明能夠實現最大風能控制的目的。具體的仿真參數設置如下：風力機：最大風能利用系數為0.29，最佳葉尖速為3.7，葉半徑為42m，額定功率為3MW。雙饋發電機：額定電量為2MV·A，定子電阻為0.0108pu，定子漏感為0.1202pu，額定電壓為710V，定轉子互感3.4 pu，轉子電阻為0.015pu，轉子漏感為0.11pu。風速為：初始風速為每秒9米，額定風速為每秒12米，到第三秒時改為每秒14米。

通過仿真實驗能夠得出，當第3秒的風速從每秒9米轉變為每秒10米時，雙饋發電機的轉速開始上升，因為慣性的作用，從而使這一速度達到最佳的轉速點。發電機的角速度發生變化時能夠通過轉子電流的頻率對定子電流的頻率保持恒定，通過這個仿真能夠證明發電機在有功或者無功的解耦下實現其最大風能的控制。

四、結束語

要想實現雙饋風力最大風能的控制，必須首先了解雙饋風力機捕獲最大風能的工作原理，因此，本文首先就對其工作原理進行闡述，然后根據其工作原理采取適當的控制對策，主要是從自適應最優模糊控制、模糊控制、勵磁控制以及控制雙饋發電機的直接轉矩這幾方面來分析其實現最大風能的控制對策。最后，通過仿真技術及仿真實驗得出本文提出的控制雙饋發電機的對策均與理論相符合，取得了比較滿意的控制效果，從而驗證了這些控制策略的有效性以及準確性，能實現最大風能控制，最終提高發電機的工作效率。

參考文獻：

[1]劉其輝，賀益康，趙仁德.變速恒頻風力發電系統最大風能追蹤[J].電力系統自動化，2003，（11）.

[2]張鳳閣，金石.變速恒頻無刷雙饋風力發電機的直接轉矩控制[J].太陽能學報，2012，（12）.

[3]姚興佳，韓嵩崟，趙希梅.變速恒頻雙饋風力發電機的最大風能追蹤控制[J].電氣傳動，2012，（7）.

[4]YIN Ming，LI Gengyin，ZHOU Ming，et a1.Analysis and Comparison of Dynamic Models for the Doubly Fed Induction Ge nerator Wind Turbine[J].Automation of Electric Power Systems，2006，（13）.

[5]鄭雪梅，李琳，徐殿國.雙饋風力發電系統最大風能追蹤滑模變結構控制[J].控制理論與應用，2010，（7）.

[6]楊之俊，吳紅斌，丁明.故障時雙饋風力發電系統的控制策略研究[J].電力系統保護與控制，2010，（1）.

（責任編輯：王祝萍）