變速恒頻風力發電系統最大風能追蹤控制探討

張陸路

摘要：伴隨著石油、煤炭等傳統性能源產量的不斷減少，發展可再生能源成了各國不容忽視的能源戰略。伴隨風力發電機組本身容量的逐步加大，全面提升機組的運行可靠性和穩定性成為風力發電技術研究的熱點問題，最大風能追蹤控制成為研究的重點。文章以變速恒頻風力風電機組為例，對其最大風能追蹤的總控制與矢量控制過程進行了分析。

關鍵詞：變速恒頻；風力發電系統；最大風能追蹤控制；風力發電機組；可再生能源 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM621 文章編號：1009-2374（2015）34-0119-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.34.061

變速恒頻發電作為20世紀逐漸發展起來的全新的發電形式，集電力電子技術、微機信息處理技術與矢量變換控制技術于一體，并將其應用到發電機控制中，轉變了傳統發電概念中所認為的只有恒速才可恒頻的想法，被廣泛應用于變水頭水力發電、飛機、汽車等變速主軸驅動的發電與能量隨機變化的風力發電中，并表現出強大的優勢，成為了當前電力研究技術中的重點研究對象。

1 變速恒頻風力發電機最大風能追蹤的總體控制

結合風力非發電機組本身特性，可把風力發電機組分成Cp恒定區、功率恒定區與轉速恒定區三個不同區域，且不同區域也有著不同特性，需采取不同控制策略，就風力發電系統而言，要實現對系統的有效控制，區分各區域很有必要，特別是對最大風能追蹤控制的實現更是有著重要作用。

1.1 Cp恒定區

該區域一般為非風力機組中的低風速運行區，整個機組依靠廠家所提供的原功率轉速曲線控制。由最佳輸出功率和轉速關系式得出，在測量到轉速信號后，就可求出最大輸出功率的給定參考值，并將同實際測量的機組輸出功率反饋偏差對比分析，借助PI調節器控制機組來實現轉速，就可使風力機跟蹤最大功率呈曲線運行。假設原有風速為，而風力機在穩定運行情況下，其最大功率區曲線的E點，且風力機的輸入機械功率就能同發電機的輸出電功率保持平衡；另外，倘若某一時刻的風速變成了，與此同時風力機的輸入機械功率也在逐漸變小，且風力機的運行曲線也從E點轉至到風速下運行的功率曲線的D點，相應的風力機輸出機械功率則從Pe轉為Pd，這時由于受到大機械慣性與控制系統調節滯后的影響，發電機的輸出電功率會依舊在E點運行，這樣一來，發電機的輸出功率就會略大于其輸入機械功率，而且過剩的功率也會使得其轉速有所減緩，再結合風力機特性曲線可知，緊隨風力機轉速的逐步減緩，其輸入機械功率將沿著轉速功率曲線而不斷上升，相應的，輸出功率則沿著最大功率曲線而不斷下降，最后兩者在C點相交，且發電機同風力機也將在C點再次持平，而且參照這個原理也可得出風速突然增加的時候最大風能的追蹤

過程。

圖1 最大功率同風輪轉速

1.2 轉速恒定區

倘若維持最大風能，借助系數或是最佳葉尖速比恒定，緊隨風速的不斷加大，風力轉速也將漸漸增大，而后在達到額定功率之前，該發電機就會首先到達轉速恒定區，而在進入到轉速恒定區后，其發電轉速就會維持在一個水平，不會受到風速的影響。在該運行區域中，風機就不是在最佳葉尖速比下運行，加之轉速恒定，故緊隨風速的不斷增大，將逐漸減小，但減小幅度不大。圖2就是雙饋異步電機于轉速恒定區域時的控制原理，其中n表示轉速當前值，△n為設定轉速增量，是轉速限定值。

1.3 功率恒定區

轉速恒定后，伴隨風速的加大，即便風機轉速未加大，但因風機所吸收功率同風速存在的立方關系，使得風機吸收機械功率與輸出電功率不斷增加，最終致使整個風機大功率達到極限值。一般來說，風機進入到功率恒定區后，緊隨風速的不斷增加，只有借助風機轉速的降低來降低Cp值，才能減少風機所吸收的機械功率，才能減少風機各部件所需承擔的機械應力。如圖3就是恒定功率的實現，而在實際應用中，因風機本身慣性較大，故多以恒定速度來降低其轉速，以此來控制動能轉換為電能的速度，這樣一來，轉速降低時，也不會因釋放太多功率而給變流器與發電機帶來的負擔，縮短風機使用壽命。

圖3 功率恒定區控制

策略圖 圖4 變速恒頻風電系統的

矢量控制圖

2 變速恒頻風力發電機最大風速跟蹤的矢量控制

要想做到最大風能追蹤控制，就需適當加大風機輸入機械功率，即加大電機輸出有功功率，而這就需要對雙饋異步電機開展輸出有功與無功功率的解耦控制。在這里可將交流電機中所用到的“矢量變化控制思想”導入其中，并由此推導出“定子磁鏈定向矢量變換關系”。即結合“坐標變換理論”，以形成等同“旋轉磁動勢”為原則，把三相坐標系中的交流量借由三相兩相轉變為等效的兩相靜止坐標系中的交流電流，進而借助旋轉坐標將其轉換成具備一定旋轉速度的旋轉坐標系中的直流電流，由此定轉子電流就被分解為了轉矩分量與勵磁分量兩種，并對其展開分別控制處理，則可完成對雙饋異步電機的“解耦控制”。同時因雙饋異步電機中的定子繞值是同大電網直接連接的，故在電網穩定的時候，其定子電壓就為一個恒定值，基于此，變速恒頻雙饋異步電機的矢量控制系統一般多采用的是定子磁鏈定向形式或是電網電壓定向形式，進而在此基礎上借助定子磁鏈定向矢量控制技術，在變流器系統內把網測變流器的定向形式轉化為基于電網電壓定向的矢量控制技術。而且因這個系統選用的為雙閉環控制結構，其中外環是功率環，而內環是電流環，分別借助電流互感器與電壓互感器測定其電壓與電流值，并對結果進行坐標轉換，得出有功與無功功率反饋值，繼而結合電流互感器所檢測到的信號，展開磁鏈觀測計算，獲得定子磁鏈值與同步轉速，再借助編碼器獲得轉速信號與之前所獲值，分別求得參考功率與電壓補償，其中無功功率的參考值可具體結合電網需求來設定或是借由雙饋異步電機消耗無功率來求得。如圖4就是系統的適量控制圖，先對比分析風機參考有功功率、無功功率同反饋值差值，借助PI調節器對差值加以調節，得出定子電流參考值，并求得轉子參考電流值，而后再通轉子側電流反饋值對比分析得出差值，并借助PI調節器調節得出系統解耦項，最后經交叉耦合補償，得到轉子參考電壓的無功與有功分量，把電壓借由坐標轉化，后輸入PWM交流器，以此來控制風機的轉子轉速，而這也是“風速恒頻風力發電系統的適量控制過程”。

3 結語

綜上所述，關于變速恒頻風力發電系統的最大風能追蹤控制，其實就是通過對發電機輸出有功功率的控制來合理調整其電磁轉矩與轉速，進而在風速變動的情況下確保最佳葉尖速比的恒定，以此實現對最大功率曲線的動態追蹤。而且，文章把定子磁場定向矢量變換控制技術用到了雙饋型的異步發電機控制上，結果得到了發電機無功與有功功率的解耦控制能力，從而為追蹤并獲得最大風能提供了有利條件。

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（責任編輯：秦遜玉）