雙饋風力發電機系統控制策略研究

賈弘德　許曉峰　顧欣然

摘 要：本文敘述了雙饋型風力發電機系統的運行原理，在不對稱電網故障和對稱電網故障情況下針對雙饋型風力發電機系統的控制策略進行了研究。

關鍵詞：雙饋型風力發電機；低電壓穿越；控制策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.157

0 引言

近年來，隨著可持續發展的觀念的提出，人們不斷找尋新型可再生能源來實現經濟和生態發展的供給形勢。由于能源問題日趨嚴重，應用新型可再生能源尤為重要。近年來風電相關技術的迅速發展使得風電并入電網技術不斷完善。引入無刷雙饋風力發電系統對電網的可靠性有了更高的要求，因此針對雙饋型發電機系統的制策略進行研究具有重要意義。

1 風力發電機概述

風力發電機是通過機械功帶動轉子旋轉將風能轉換為機械功最終輸出交流電的電力設備。其主要有兩種葉輪旋轉軸：垂直軸和水平軸。水平軸具有比垂直軸更高的效率，因此通常采用水平軸的風力發電機。風力發電機根據其葉片的數目的不同可分為單葉式、雙葉式、三葉式、多葉式，其中三葉式的風力發電機實際應用廣泛。在實際應用中的比較常見的風力發電系統有恒速鼠籠型異步風力發電系統、變速恒頻雙饋感應風力發電機系統、無刷雙饋風力發電系統、變速鼠籠型異步風力發電系統和永磁直驅型同步風力發電系統。

2 雙饋型風力發電機系統的模型和控制方法

2.1 雙饋風力發電機系統的運行原理

在無刷雙饋風力發電機系統中，發電機是轉化風能的核心部分，在某種程度上和繞組式異步電機存在相似之處。其最大特點是變流器在轉子電路中，因此處理額定功率時只處理轉差的部分就可以了，因此變流器的損耗相對比較少，整個系統的效率也較高。無刷雙饋型風力發電機系統的運行原理如圖1所示。

2.2 雙饋風力發電系統的控制系統

（1）定子磁場定向矢量控制。目前，在無刷雙饋型電機的控制策略中主要是矢量控制，這種控制策略具有很好的性能。因為有不同矢量定向的存在，所以矢量控制可分為定子磁場定向和電網電壓定向兩種類型。其中前者可以完成整個去耦控制，而后者只能完成部分去耦控制。

（2）網側PWM變流器矢量控制策略。在PWM型變流器的數學模型中，交流量是時變的，所以無法設計控制系統。但是，對PWM型整流器進行變換坐標就能夠對交流量去耦控制。因為PWM型變流器的主要靠電網供電，所以可以將相對靜止的三相ABC坐標轉換成根據電網的基頻旋轉的dq坐標，并實現設計簡化。

3 對稱電網故障下的控制策略

無刷雙饋型發電機系統由于拓撲結構受電網電壓的影響較大，電壓降會導致定子磁鏈中出現直流量，因此發電機定子電流就會不斷變大。由于風力發電機轉速相對較慢，則吸收風能的效率不變而輸電功率將會減少，其中部分能量將會在系統中被消耗，因此就會產生故障。

由于在傳統的矢量控制方法中有缺陷，因此考慮定子磁鏈的動態變化，改進了矢量控制算法，改進之后能夠有效的解決電壓下降時定子磁鏈中電磁產生過度的問題。

4 不對稱電網故障下的控制策略

4.1 電網不平衡理論分析

在一個多相系統中不對稱并不代表其不平衡，但在三相系統中，電路如果不對稱那就表示電網不平衡。當分析不平衡電力系統時，通常利用對稱分量法進行分析。該方法是將電路中電流和電壓不對稱的部分轉化成邊界條件，并將其余的電路視作對稱電路。

4.2 PWM整流器的控制策略

在PWM整流器的控制策略中，通常用電壓和電流雙閉環控制方式。分別控制輸入電流和電壓，將外環輸出的電壓作為電流指令，輸入電流則由電流內環控制，從而保持整流器性能良好。

5 結束語

由于日益加劇的全球能源危機，新型能源中風能作為可再生的清潔能源對可持續發展意義重大。風力發電技術不斷發展，雙饋型風力發電機系統可以與電網連接，并能夠實現有功功率和無功功率的變換。本文總結分析了雙饋型風力發電機系統的控制策略，在建設智能電網推進新能源發展過程中針對雙饋型風力發電機系統的有效控制問題，仍需深入探索。

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