永磁直驅風力發電機輸出電壓控制策略研究

孟立強

（新疆龍源風力發電有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

能源作為國家重要的管控內容之一，與國家的民生和經濟息息相關，國家的發展進步離不開能源的利用，在石化能源等不可再生能源持續消耗的情況下，開發可持續發展的清潔環保能源，成為當前主要的研究內容之一。在全球發展范圍內，實現碳達峰以及碳中和，推動世界范圍內的可持續發展成為當前首要的任務。電能作為能源中的主要能源之一，電能的發電方式可以是風力發電、光伏發電、火力發電等，在這些發電方式中，風力發電與光伏發電作為清潔能源的發電方式之一，被世界各國看好，如何利用風能以及太陽能進行發電，并為全球各國持續提供能源，發展世界經濟，已成為當前各國主要研究的內容之一。隨著風力發電的廣泛應用，我國風力發電機組的安裝容量持續上升，新增風力發電機的安裝容量也在世界名列前茅，隨著風和太陽能利用率的不斷攀升，我國的新能源利用率和滲透率明顯出現提升，為國家經濟可持續發展作出了貢獻。

隨著風力發電機組以及太陽能發電技術的不斷入網，為電網的穩定調節，造成了一定的影響，目前風力發電機應用的主要類型為永磁同步發電機，隨著國家電網容量的不斷擴大，風能發電機組和光伏發電機組對電網的穩定運行產生了一定的影響。首先是由于風能和光能的不確定性，對電網的穩定性造成了一定的擾動；其次是由于風能發電機組與光能發電機組的頻率不同，增加了電網運行的負荷，增加了電網頻率調節的次數，提升了可能發生連鎖故障的機率；同時風能發電機組和光能發電機所在電壓輸出側的穩定性也有待提升，輸出電壓的不穩定性也會造成電網安全運行的隱患，本文以風

能發電機組為例，闡述如何在電壓側進行控制，從而更好地穩定電網的安全運行效率。

1 風力發電現狀

風能作為全球能源中重要的清潔能源，世界各地都致力于利用風能發電，全世界的風能發電量穩步上升，截至2020年底，世界范圍內主要的風能發電的發電機組總裝機量中，排名第一的我國共計278324兆瓦，2020年新增發電裝機總量排名第一的也是我國共計48940兆瓦，具體的前10名見表1所示。

表1 2020年風電機裝機容量總量和新增

風力發電作為全球最主要的商業發電之一，行業發展規模巨大，生產條件成熟，具有較強的發展前景，而且風能的儲電量巨大，我國2021年，發電的總量達到了6526億千瓦，與2020年相比，同步增加了將近40%，2014～2021年，我國的風力發電總量穩定逐步上升，具體圖1所示。

圖1 2014-2021年風力發電總量（億千瓦）

風能作為重要清潔能源之一，現已廣泛應用于各行業中，尤其是風能發電的總量，在我國的總發電量中占比逐年上升，截至2021年底，我國風電機發電總量占全國發電總量的8.04%，利用風能發電能實現全球碳中和目標，具體見圖2所示。

圖2 2014-2021年風能發電總量占全國發電總量百分比

近年來，隨著電力行業的不斷發展，低碳發展理念已實現完全滲透，新能源發電取已取得重大進展，風電、光伏普及率逐步攀升，尤其在西北部地區，新能源發電裝機容量已達到當地用電負荷的100%。《風電場接入電力系統技術規定》對新能源并網技術指標提出了嚴格的要求，限制了電力企業經濟的穩定增長。而在電力工程項目應用實際中，能源型應用是以光伏應用為主，而對于功率型應用則以風能為主。電化學儲能因具備響應快、爬坡率高等優勢，在大規模新能源并網中發揮出巨大作用，在降低新能源裝置變異性、提高可控性、可規劃性方面發揮了重要作用。因此，將電化學儲能技術廣泛應用于大規模新能源并網中，不僅能有效提高電網運行穩定性，還能提高并網電能質量，保障新能源滲透率。

2 風力機數學模型

由風電機的工作原理可以知道，風力機在獲得有效功率的時候，可以用以下公式進行表示：

式中，Rm為有效功率；RW為風力發電機的葉片半徑；ρ為空氣的密度；vw為空氣中的風速；CP為風能可利用系數，風能可利用系數的計算公式為：

式中，β為風電機的槳距角；ωw為風電機的轉速；λ為風電機的葉尖速比，根據公式（1）和公式（2），最終風電機的有效功率Pm可以用風電機的轉矩與轉速一起表示，具體公式如（3）：

3 永磁直驅風力發電機輸出電壓控制策略

3.1 風電機組功率波動引起電壓閃變的機理

3.1.1 閃變機理

并網電壓的波動受到風電機組的輸出功率影響，風力電壓的輸出功率不穩定，容易造成輸出電壓的不穩定，從而造成并網電壓的不穩定，由于風的特性，風電機組在發電過程中會造成一定的抖動，出現功率波動見圖3所示。電壓向量，是并網風電機組出口電壓向量，為電流

圖3中的R1是線路電阻，X1是線路電抗，是電網的有功向量，是電流無功向量。

圖3 從上到下分別為等值電路圖、有功電流引起的電壓降落、無功電流引起的電壓降落

3.1.2 電壓波動

在風力發電機組電壓輸出側進行電壓并網時，可能會影響短時間內的電壓波動變化，而造成電壓波動變化的原因極有可能是風力發電機組的特性導致，利用相對電壓變動量對電壓波動進行表示，具體的公式如下：

式中，Umax表示為最大的相鄰電壓；Umin為最小的相鄰電壓值；UN為風力發電機的額定電壓值，電壓的波動由功率波動進行推算，也就是根據風力發電機的功率進行聯合計算，公式如下：

3.2 網側變流器控制策略

電網側的風力發電機組輸出電壓在與轉子側變流器進行能量交換時，主要的交換方式，可以通過直流鏈路電壓進行表示，具體的表示過程如下：

這種控制方式，實現功率因數和定子側電壓為零的方式，即vds=0，在調整風力發電機的輸出電壓時，電網側也應該做出相應的調整，與傳統的功率因數控制相比較，改良的功率因數可以通過PI環節的鏈路電壓得到，然后可以通過對內環電流的控制，實現對風力發電及負載的電流補償，從而最終完成對風力發電機輸出電壓的控制和擾動補償。

3.3 變槳距控制

通過控制風能利用系數可以改變葉尖速比，從而進行有效功率的調整。從上述公式（1）中可知，變槳距與風能利用系數呈負相關，也就是說，當CP逐漸變小時，變槳距角β也會隨之增大。設定風速恒定的條件，通過調節控制風電機葉片與輪轂的鏈接處，改變變槳距驅動系統，達到調節變槳距的目的。將所有葉片的角度進行調整，控制在同一中軸線上，達到同步轉動的目的。風電機啟動時，利用風能對葉片的作用，將風能轉化為機械能，調節風電機的風力捕獲量，控制風力機與發電機之間為運行穩定性。超過額定風速值時，適當降低風力捕獲量，保證穩定機械能轉化為電能，降低風力捕獲量可以利用調節變槳距角，保證風力發電的電壓穩定性。

4 結語

綜上，作為新能源發電技術中最主要的一種發電技術，風力發電的應用前景更為廣泛，同時風能發電的技術更為成熟規模也更為巨大，隨著發電機的研制成效不斷提升，發電技術也在不斷進步，發電的能力也在穩步提升，同時發電能量的儲存與生產效率也在穩步提升，永磁直驅風力發電系統，在風力發電供應中更為廣泛，主要是因為永磁直驅風力發電系統的優良特性，能夠更好地提升發電的效率以及保證電網運行的安全性。

目前控制永磁直驅發電系統的主要方式有很多，主要目的是為了提升風力發電系統的生產效率和安全穩定性，例如可以通過定子軸零電流控制風力發電系統的電壓，也可以利用最大轉矩電流比對風力發電系統的電壓進行控制，在利用這些控制方法的過程中，需要加強對風力發電系統的調節能力，本文主要分析了電流以及變流器等方面的措施，對風力發電系統進行電壓控制，同時利用矢量技術和變槳距控制，將風力發電系統的電壓控制在更為穩定的狀態，從而更好地實現風力發電系統的穩定生產和技術的提升。