直驅風力發電系統變流器控制措施

戚緒南

（華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州450045）

直驅風力發電系統變流器控制措施

戚緒南

（華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州450045）

目前風力發電技術發展迅速，永磁直驅風力發電系統由于其結構簡單、風能利用率高、故障率低、穩定安全等優點而得到廣泛應用。變流裝置是直驅永磁式風力發電系統中一個重要環節，變流器的控制方式有網側變流器控制和機側變流器控制，本文對這兩者的控制功能進行了分析。

直驅風力發電系統；機側變流器；網側變流器

目前，風力發電技術發展迅速，其具有清潔無污染、安全可靠的特點。永磁直驅風力發電系統通過風力機直接驅動永磁同步發電機工作，經由功率變換電路轉換電能再并入電網，省略了齒輪箱等中間環節，從而減少了許多發電系統工作人員的維護工作，并且降低了風電系統的噪音，具有可靠性高、重量輕、效率高的優點[1]。

變流裝置是永磁直驅式風力發電系統的電力電子變換環節，作用十分重要，既要給電網提供優質電能，又要完成對風力發電機的控制，還要實現低電壓穿越等功能。直驅永磁同步風力發電系統中變流裝置的拓撲結構種類并不單一，現將使用較多的羅列如下：（1）機側部分采用不可控整流+boost升壓，網側部分采用PWM逆變；（2）在機側部分中采用不可控整流，網側部分中采用PWM逆變；（3）機側部分采用相控整流，網側部分PWM逆變；（4）基于雙PWM控制的具備四象限運行能力的功率變流器[2]。目前使用的背靠背雙PWM全功率變流器的直驅風電系統相對于前三種來說性能良好而且適用范圍廣泛，這種控制方案也代表著目前風力發電系統的發展方向。

1 背靠背雙PWM永磁直驅變流器

與經典的二極管不可控整流相比而言，機側變流控制器采用PWM整流可以極大地減少發電機定子電流中豐富的低次諧波，從而降低了發電機損失的銅耗和鐵耗，并且PWM整流器最大的優點是可提供接近于正弦的電流，從而使發電機側部分的諧波電流產生頻率減低。控制系統發揮其功用，令永磁同步發電機輸出的頻率、幅值浮動的電壓變為可用的恒頻電壓，并貼近俘獲最大風能的期望。網側變流控制器工作中希望直流側電壓始終達到穩定，其網側d軸和q軸電流處于不斷調整的狀態，完成有功及無功功率的解耦控制，力圖流向電網的無功功率保持在一定數值內，常規狀況下，系統處于單位功率因數狀態，保障注入電網的電能質量符合標準[3]。在風力不可控條件下，雙PWM變流器可在最大程度上保障向電網輸送品質優良的電能，不會出現電壓失去穩定性的狀況，力圖系統始終處于變速恒頻的狀態，使風能更大程度上轉化為電能，提升風電轉化效率，削減風電轉化過程中的電機耗能，變流器需要對電網的故障具有強大的適應能力及隔離能力，確保任何狀況中永磁直驅風電系統的有序運行。

2 網側變流器控制

在風電系統中，網側變流器的主要功能是達到對于直流電壓的穩定要求，使輸出功率及輸出并網符合質量標準。對永磁直驅風電系統而言，網側變流器多數情況下是在逆變狀態實現其功用，其將風力發電機輸出的直流電流、電壓逆變為交流電，并且達到輸出并網標準。網側變流器需對電網電流實現控制，有評價電流控制性能好壞的標志為能否達到動態響應快、穩態精度高。在此情況下，控制策略一般分以下幾種，第一種間接控制措施是通過對變流器橋壁電壓的相位幅值進行調控來實現；第二種直接控制措施就是對電流進行直接調控從而建立綜合反饋。兩者相比，間接電流控制顯露出了網側電流動態響應遲緩、對系統參數的變化要求高的弊端，間接電流控制的實際控制量為變流器交流側輸出電壓的相位與幅值，不存在電流反饋，如今有被直接控制措施全面代替的趨勢。直接控制措施采用功率環取代了電流內環，對變換器的輸入以及輸出功率進行直接調整達到平衡，從而更好地穩定母線電壓，系統的動靜態性能也更接近理想水平。直接電流控制運用的是電流閉環控制法，對于電流改變的反應較為迅速，系統的穩定性和效率性都有相當限度的提升[4]。落實到控制方法上來說，直接控制又分為了許多種類，包括PI控制、滯環控制、重復控制、比例諧振控制、預測控制、模糊控制等，這些方法實現的難易程度各不相同，都有各自的優缺點，有時也會根據具體情況將幾種方案結合以便達到更好的控制效果。

3 機側變流器控制

機側變流器所起到的作用是對電機進行全面控制，需要實現電機能量輸入變流的電磁轉矩調節。在對電機側變流器的研究中，同步永磁電機的數學建模與控制策略是重點。其中控制策略又分為了許多種類，目前使用廣泛的有無速度傳感器控制、電機矢量控制、直接功率控制、直接轉矩控制等。另一方面，實行最大功率跟蹤控制可以一定程度上提高風能利用率。其中，典型控制原理有葉尖速比法、功率信號反饋法和爬山法等。葉尖速比法在實現時需對風輪上的精確風速進行檢測，通過控制達到使葉尖速比維持在最優值的目的，這種方法比較直觀，但是不同風機存在不同風電機特性，會對其最優Cp值產生影響，需要具體系統具體分析。功率信號反饋法控制參考了轉速與最大功率之間的關系，采用不同算法具有不同特點：可檢測風速以代替風機轉速；可應用模糊控制；也可利用神經元算法修正風機最大功率曲線，最終使得機組達到在不同轉速下輸出功率能跟隨指令值的目的。爬山法利用頻繁調整功率指令來使機組的輸出功率逐漸靠近最大值。使用這種方法不需要考慮控制算法同風機及發電機特性之間的關系，這是爬山法的一個優點，這對于變速風機而言，省去了預先計算與實驗的步驟，能更好的實現控制。

4 結語

目前，直驅風電系統技術成為風力發電領域熱點研究方向。本文介紹了采用背靠背雙PWM全功率變流器的直驅風電系統，研究了直驅風電系統機側以及網側變流器控制策略，可為后續學習工作和工程實踐提供參考和借鑒。

[1]王陳晨.直驅永磁同步風力發電機組低電壓穿越技術的研究[D].東北電力大學，2015.

[2]張 磊，朱凌志，姜達軍，等.直驅風電機組模型構建方法及其實現[J].電網技術，2016，40（11）：3474-3481.

[3]熊 恒.直驅永磁同步風力發電機組研究及相關問題闡述[J].科技創新與應用，2016（26）：202-202.

[4]葉 鷹，王 倩.永磁直驅風力發電系統及變流器控制措施[J].時代農機，2016，43（1），26-29.

The Control Measures of Direct-drive Wind Generation System and Converter

QI Xu-nan
（North China University of Water Resources and Electric Power College of Electric Power，Zhengzhou Henan 450011，China）

At present，wind power generation technology has developed rapidly.Permanent magnet direct-drive wind generation system has been widely used because of its simple structure，high utilization rate of wind energy，low failure rate，stability and safety.Converter is an important part of direct-drive permanent magnet wind generation system.The control modes of converter are line side converter control and generator side converter control.This paper analyzes the control function of the converter.

direct-drive wind generation system；line side converter control；generator side converter control

TM46

A

1672-545X（2017）08-0271-02

2017-05-03

戚緒南（1993-），女，河南南陽人，碩士在讀，研究方向：新能源發電。