基于直接功率控制的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究

楊其恒

摘要：模型預(yù)測(cè)直接控制方式能夠有效提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，使其較為迅速的作出動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為保證運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)滿足低諧波輸出性能的相關(guān)需求，需保證采樣頻率的高效性。若電網(wǎng)長(zhǎng)期處于不平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)內(nèi)部電流將受到影響，使其發(fā)生畸變。為了使上述問(wèn)題皆能得到有效解決，本文提出模型預(yù)測(cè)直接功率改進(jìn)的相關(guān)方法，此方法不但能夠在電網(wǎng)平衡條件下得到穩(wěn)定運(yùn)行，在電網(wǎng)不平衡條件下此方法也能較為有效的實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)作。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng);直接功率控制;電網(wǎng)不平衡

隨著我國(guó)各項(xiàng)工業(yè)的不斷完善，環(huán)境污染問(wèn)題也日漸嚴(yán)重，此背景下，可再生能源呈持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展趨勢(shì)，在可在生能源中，無(wú)污染的能源即為風(fēng)能，其能夠使我國(guó)生態(tài)環(huán)境得到有效改善，因此風(fēng)能也開(kāi)始逐漸受到人們的廣泛關(guān)注。大容量齒輪箱即為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的組成部分，但其運(yùn)行總效率相對(duì)較低，此現(xiàn)象一定程度上降低了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行效率，使其發(fā)展受到影響。經(jīng)不斷改進(jìn)，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)，此系統(tǒng)作為現(xiàn)代較為新型系統(tǒng)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)直流電流和交流電流的轉(zhuǎn)換，還使發(fā)電機(jī)能夠同步于風(fēng)輪機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)永磁，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)效率的提高。

1.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

風(fēng)力機(jī)的槳葉旋轉(zhuǎn)主要由自然風(fēng)所帶動(dòng)，自然風(fēng)幫助風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換。自然風(fēng)本身存在一定弊端，其風(fēng)具備任意性及波動(dòng)性等特質(zhì)，較大程度上限制了風(fēng)力機(jī)輸出期間的機(jī)械功率。機(jī)械功率的整體控制主要在電能產(chǎn)生的過(guò)程中，呈現(xiàn)于人們的視野。風(fēng)力機(jī)能夠根據(jù)控制方法的不同進(jìn)行具體劃分，分別為變槳距、主動(dòng)失速及定槳距控制型。

1.1變槳距控制型

變槳距控制型主要指風(fēng)力機(jī)的槳葉通過(guò)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與輪轂的連接。在連接期間，若風(fēng)速產(chǎn)生變化，槳距角能夠根據(jù)變化的具體情況作出改變。由此可看出，槳距角在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中起到較為關(guān)鍵的作用，其能夠保證風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出功率上的有效提高。風(fēng)速本身即存在不穩(wěn)定性，若風(fēng)力在系統(tǒng)運(yùn)行期間所產(chǎn)生的變化幅度相對(duì)較大，那么變槳距也可對(duì)風(fēng)力實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，使風(fēng)速得到較大程度削弱，進(jìn)而降低風(fēng)速對(duì)塔筒等部件所造成的影響，從而使系統(tǒng)的整體運(yùn)行壽命得到延長(zhǎng)。由以上分析可看出，實(shí)現(xiàn)功率曲線平穩(wěn)、有效控制變槳距槳葉、降低整機(jī)重量等方法，能夠較大程度上提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，使其在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一定位置。但變槳距控制型存在一定弊端，其要求相關(guān)人員必須精準(zhǔn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與槳葉的銜接，若此期間槳距角產(chǎn)生任何程度的變化，都將引發(fā)系統(tǒng)出現(xiàn)事故，從而提高系統(tǒng)的整體維護(hù)效率。

1.2主動(dòng)失速控制型

主動(dòng)失速控制型主要指風(fēng)力機(jī)的槳葉在設(shè)計(jì)期間依然采用較為特殊的技術(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)特性進(jìn)行充分利用，并且輪轂與槳葉依然能夠處于連接狀態(tài)。與此同時(shí)，相關(guān)人員在此期間應(yīng)及時(shí)對(duì)槳距角形成有效調(diào)節(jié)。如此，不但能夠使主動(dòng)失速控制降低整機(jī)重量，還能夠?qū)崿F(xiàn)輸出功率上的提高，進(jìn)而從根本上降低機(jī)構(gòu)整體的控制難度，使輸出功率得到平穩(wěn)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境存在多變性，多處于高風(fēng)速、低風(fēng)速以及剎車制動(dòng)等環(huán)境下，此環(huán)境期間，風(fēng)力機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的有效控制，實(shí)現(xiàn)功率輸出效率的提高，從整體上降低功率損耗現(xiàn)象，進(jìn)而保證系統(tǒng)控制的整體平穩(wěn)性。近幾年，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，主動(dòng)失速控制風(fēng)力機(jī)得到較為廣泛的應(yīng)用。

1.3定槳距控制型

定槳距控制型顧名思義，主要指風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間的輪轂與槳葉進(jìn)行連接，同時(shí)運(yùn)行期間并未與控制系統(tǒng)及銜接機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接，此期間風(fēng)力機(jī)的槳距角不會(huì)因?yàn)轱L(fēng)速所產(chǎn)生的而變化而受到限制。槳葉的長(zhǎng)度及形狀對(duì)輸出功率能夠造成較大影響，換句話說(shuō)，若想實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的有效控制，必須及時(shí)對(duì)槳葉的長(zhǎng)度及形狀進(jìn)行合理設(shè)置，槳葉長(zhǎng)度越大，功率則越大。在風(fēng)力呈上升趨勢(shì)時(shí)，槳葉邊緣的空氣將產(chǎn)生較大變化，此區(qū)域的空氣能夠與槳葉出現(xiàn)渦流效應(yīng)，此效應(yīng)也可被成為氣動(dòng)特性。而控制定槳距，即通過(guò)渦流效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械功率的有效控制，避免其出現(xiàn)功率升高的現(xiàn)象。由此可看出，此類控制能夠?qū)⑾到y(tǒng)的復(fù)雜性得到較大程度減小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全指數(shù)上的提高。但此類控制存在一定弊端，槳葉在此期間將出現(xiàn)邊長(zhǎng)的現(xiàn)象，此現(xiàn)象將導(dǎo)致風(fēng)力整體的抑制能力受到下降，進(jìn)而導(dǎo)致槳葉出現(xiàn)變形、損壞等情況。由此可見(jiàn)，大功率機(jī)組的應(yīng)用與設(shè)計(jì)較易受到定槳距的制約。

2.直接功率控制的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

直接功率控制主要起始于直接轉(zhuǎn)矩控制。電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制與直接功率控制存在較為直接的關(guān)系，其性質(zhì)存在一致性，二者之間本質(zhì)的區(qū)別即為被控量的差異性。直接轉(zhuǎn)矩控制的被控量即為控制磁鏈及轉(zhuǎn)矩，而直接功率控制與其存在較大不同，其被控量即為雙核感應(yīng)電機(jī)內(nèi)部的定子功率，直接功率控制能夠?qū)ζ溥M(jìn)行更為直接的控制。由此可見(jiàn)，相比較直接轉(zhuǎn)矩控制，直接功率控制具備徹底性及直接性，能夠較大程度上提高控制功率的有效性，直接功率控制在風(fēng)電并網(wǎng)的過(guò)程中起到較為關(guān)鍵的作用。但直接功率控制依然存在部分問(wèn)題，如功率脈動(dòng)大及開(kāi)關(guān)頻率的變化等，若此類問(wèn)題無(wú)法得到解決，將較大程度上影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。因此，改進(jìn)型的直接功率控制被相繼提出，直接功率控制經(jīng)改進(jìn)后能夠?qū)鹘y(tǒng)直接功率控制與矢量控制進(jìn)行有效結(jié)合，充分將傳統(tǒng)的直接功率控制與矢量控制的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)變頻器開(kāi)關(guān)頻率及功率上的減少，從而有效控制恒定開(kāi)關(guān)頻率，保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)改進(jìn)型直接功率控制，主要在直接功率控制的過(guò)程中，對(duì)空間調(diào)制技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用，同時(shí)，通過(guò)改進(jìn)轉(zhuǎn)子磁鏈及電磁及電流轉(zhuǎn)矩的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)直接空濾控制的改進(jìn)。據(jù)可靠數(shù)據(jù)表明此種方式能夠較大程度上縮短轉(zhuǎn)子電流振蕩周期，從根本上使發(fā)電品質(zhì)得到提高。同時(shí)，我國(guó)相關(guān)人員針對(duì)直接功率控制的改進(jìn)也有了不同的研究，即在定子電壓定向坐標(biāo)系下，通過(guò)對(duì)功率的具體研究及設(shè)置，使功率能夠在最小采樣周期環(huán)境下，使其與參考值相符合，通過(guò)系統(tǒng)相關(guān)的控制理論，在風(fēng)力發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中，將控制電壓的矢量進(jìn)行選擇，如此能夠使計(jì)算方法所存在的滯后性得到有效消除。據(jù)可靠數(shù)據(jù)表明，此方法能夠較大程度上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相應(yīng)速度上的增強(qiáng)，從而使系統(tǒng)整體的開(kāi)關(guān)頻率得到完善。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代風(fēng)電裝機(jī)類型中，應(yīng)用較為廣泛的即為發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，因此，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的具體控制方法進(jìn)行完善，實(shí)現(xiàn)風(fēng)發(fā)電品質(zhì)及發(fā)電效率上的提高，能夠較大程度上促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。近幾年，直接功率控制較為廣泛的被應(yīng)用于我國(guó)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，但其在運(yùn)行過(guò)程中依存存在部分問(wèn)題，本文即針對(duì)其控制改進(jìn)措施進(jìn)行分析，通過(guò)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)直接功率控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的有效結(jié)合，從根本上實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行效率及穩(wěn)定性的提高，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展。

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