簡談雙饋異步風力發電機變頻器運行控制技術

王彬彬

（中閩（福清）風電有限公司，福建 福州 350000）

風力發電作為可再生能源的一種，近年來發展規模不斷擴大，且風力發電的相關技術水平也得到了全面的進步。雙饋異步風力發電機作為風力發電系統的核心組件，其性能和控制技術對整個發電系統的效率和穩定性至關重要。變頻器作為調節發電機輸出頻率的關鍵設備，變頻器的工作原理在雙饋異步風力發電機中的應用場景極為豐富，在提高雙饋異步風力發電機系統響應速度和降低能量損失方面具有關鍵性的作用。文章以雙饋異步風力發電機為研究對象，深入剖析其基本原理，分析在雙饋異步風力發電機構成的系統中，變頻器運行控制技術的應用方法，以及具體的算法優化策略，通過對相關關鍵技術深入研究，為風力發電行業的技術進步提供有益的理論支持，為未來的風力發電系統設計和優化提供有力參考。

1 雙饋異步風力發電機的特點

雙饋異步風力發電機具有高效能轉換、穩定性強、適應性廣泛的應用優勢，且由于雙饋異步風力發電機獨特的結構和工作原理在風力發電領域內得到了廣泛應用。相比于其他類型的發電機而言，雙饋異步風力發電機采用了雙饋結構，即在轉子和定子回路上均設置了可調諧的功率電子變流器，雙饋結構使得發電機在變化的風速條件下能夠更為靈活地調整輸出功率，提高了能量轉換的效率。在實際應用過程中，雙饋異步風力發電機能夠更好地適應風力資源的波動，實現更高水平的發電效益。

一方面，由于雙饋異步風力發電機具有雙重饋電回路，使得系統對外界擾動有較強的抗干擾能力，使得發電機在面對風力波動、電網波動等外部影響時，能夠更為平穩地輸出電能，提高了風電系統的整體可靠性，實際應用過程中對于電網接入和穩定供電至關重要，尤其是在大規模風電并網的情境下，能夠有效降低系統的運行風險。另一方面，雙饋異步風力發電機可調節的功率電子變流器使得系統能夠更好地適應不同運行條件，不僅能夠在不同風速下實現最佳功率輸出，還能夠在電網電壓或頻率波動時靈活調整發電機的運行狀態，保持系統的穩定性，其本身具有的靈活性使得雙饋異步風力發電機適用于各種地理環境和電網接入條件，為風力發電技術的推廣應用提供了更多可能性。

2 雙饋異步風力發電機變頻器的功能

雙饋異步風力發電機變頻器是風力發電系統中的核心組成部分，也是雙饋異步風力發電機正常運轉的必要保障，雙饋異步風力發電機變頻器可以調整和控制發電機輸出功率，從而起到多功能的調節控制效應，確保雙饋異步風力發電機能夠更好地服務生產實際。

首先，雙饋異步風力發電機在應用過程中，隨著風速的變化，發電機的轉速也需要相應調整以確保在不同風速條件下能夠獲得最佳功率輸出，而變頻器通過調整電機的頻率，使得發電機能夠以不同的轉速運行，從而適應不同的風能輸入。其次，雙饋異步風力發電機在工作階段，為了將發電機產生的交流電轉換成適應電網要求的電能，變頻器將發電機輸出的交流電轉換為直流電，再通過逆變器將直流電轉換為符合電網標準的交流電，通過變頻器可以確保風力發電系統能夠將獲得的風能有效地注入電網。此外，雙饋異步風力發電機變頻器通過控制電流，變頻器能夠調整發電機的輸出功率，以適應電網的需求，并確保系統的穩定性，在很大程度上可以確保發電機在各種工作條件下能夠穩定運行。最后，在電網接入時，變頻器還負責對發電機輸出的電壓進行控制，通過調整電壓水平，使得發電機的輸出電能能夠平穩地注入電網中。除此之外，雙饋異步風力發電機作為電氣設備，在雙饋異步風力發電機構成的系統中，故障監測技術的應用尤為重要，變頻器具備故障保護功能，實際應用能夠監測發電機和電網的運行狀態，當變頻機在工作中檢測到雙饋異步風力發電機的異常情況，可以及時采取保護措施，防止系統受損。

3 雙饋異步風力發電機變頻器運行控制技術

3.1 變頻調節

雙饋異步風力發電機運行過程中，為了最大化捕獲風能，提高整個風力發電系統的效率而采用的關鍵控制手段。通過變頻器的運行控制技術，可以控制發電機的輸出頻率來實現對轉速的調整，從而使得發電機能夠在不同風速條件下高效運行。

首先，采用變頻調節的雙饋異步風力發電機能夠更加靈活地調整輸出頻率，從而在不同風速下獲得更高的轉速，實現更大的功率輸出。具體而言，隨著風速的波動，傳統的固定速度發電機可能無法適應這種變化，變頻調節的核心目標是在不同風速情況下調整發電機的轉速，使其運行在最佳工作點。其次，變頻調節過程中的頻率控制階段，變頻器可以調整輸入電源的頻率，從而改變發電機的輸出頻率。在風速較低時，通過增加頻率，發電機的轉速可以提高，以適應更高的風能輸入。相反，在風速較高時，通過降低頻率，發電機的轉速可以降低，以避免過載運行。此外，在電網并網時，一般會要求發電機的輸出頻率與電網頻率保持同步。變頻調節技術可以通過實時調整發電機的輸出頻率，確保與電網同步運行，從而實現平穩的電能注入電網，維護電網的穩定性。

3.2 MPTT 控制

MPTT 控制的主要目標是實現在不同風速條件下，追蹤并維持發電機的最大功率點，從而最大程度提高風力發電系統的能量轉換效率，該技術通過精確調整發電機的工作狀態，使其在各種風速變化中都能夠以最優的方式將風能轉化為電能。

具體而言，在風力發電系統中，實時監測和反饋機制尤為重要，而雙饋異步風力發電機變頻器能夠使得風力發電系統能夠適應瞬時的風速變化，最大化地捕捉可用的風能。MPTT 控制通過實時監測這些關鍵數據，采用先進的算法和傳感器來監測風速、轉速和輸出功率等參數，確保控制系統能夠精確地計算當前工作點的最大功率點。一方面，在風速較低時，系統可以通過調整葉片角度來提高轉速，以達到更高的功率輸出。而在風速較高時，系統可以通過適時調整變頻器參數，降低轉速，以避免過載運行。MPTT 控制通過調整雙饋異步風力發電機的葉片角度和變頻器參數等來實現對最大功率點的追蹤，動態調整的過程需要高度靈活的MPTT 控制策略，確保系統在不同工況下都能夠達到最佳運行狀態。另一方面，MPTT 技術的核心應用在于維持電網的穩定性，并盡可能提高發電系統的可靠性。MPTT 控制技術通過調整發電機的輸出功率，使其與電網的要求相匹配，確保平穩地將電能注入電網，在實現發電機與電網的有效匹配方面發揮了關鍵作用。

3.3 風機側電壓控制

風機側電壓控制是在電機轉子側進行的一項控制策略，其關鍵目標是保證發電機輸出的電壓符合電網的標準，防止對電網產生不良影響。在雙饋異步風力發電機變頻器運行控制中，風機側電壓控制技術通過對風機側電壓進行調控，可以最大程度上確保風力發電系統在電網并網時能夠提供穩定的電壓輸出，維護電網的穩定性。

首先，在電網并網時，電壓的穩定性對于維持電網的正常運行至關重要，通過實時監測電壓，并根據電網的要求進行調整，風機側電壓控制技術確保發電機提供的電壓始終在可接受的范圍內，避免因電壓波動引起的電網不穩定問題。而風機側電壓控制技術采用先進的電氣調節系統，監測和調整風機輸出的電壓水平。其次，風機側電壓控制還通過對發電機的電磁特性進行調整，這種調整是通過變頻器對電機輸出進行精確控制實現的，確保發電機能夠適應電網的工作頻率，并提供與電網同步的電壓輸出，使得輸出電壓符合電網頻率和電壓的要求，對于保證電力系統中的各個組件協調運行，防止電網波動，具有重要意義。除此之外，風機側電壓控制技術還在電壓下降或電壓過高的情況下進行及時響應和調整，通過監測電網電壓的變化，系統能夠迅速調整發電機的電壓輸出，確保系統在電網并網的過程中不會對電網造成過大的電壓波動，維持電網的安全和穩定運行。

4 雙饋異步風力發電機變頻器運行控制算法

4.1 PI 控制算法

在雙饋異步風力發電機中，PI 控制算法被廣泛應用于電流和電壓的調節，以確保系統在不同工況下的穩定運行。PI 控制屬于經典的反饋控制算法，通過對系統的誤差進行調節，實現對輸出精確控制。

Pl 控制通過比例項（P）和積分項（I）來調整系統的輸出，以最終消除誤差并保持系統穩定。

系統輸出（控制量）：控制量（u(）由比例項和積分項的和組成，即：

其中：

u(t)是控制量（輸出）。

e(t)是誤差信號，表示期望值與實際值之間的差異，e(t)=r(t)-y(t)。

Kp是比例增益，控制比例項的權重。

Ki是積分增益，控制積分項的權重。

誤差積分項：

積分項用于消除系統的穩態誤差，其表達式為：

該項的積分操作對誤差信號進行累積，以確保系統能夠逐漸消除任何持續的偏差。

控制器輸出：

控制器的最終輸出是比例項和積分項的和，即：

一方面，在雙饋異步風力發電機中電流的穩定性對于保障系統的正常運行至關重要，而PI 控制算法通過測量實際電流與期望電流之間的誤差，并根據誤差的大小和變化率來調整控制信號，使實際電流迅速趨向期望值，從而維持系統的電流穩定性。另一方面，在風力發電系統并網時，PI 控制算法通過監測電壓誤差，并通過比例項和積分項的結合來調整變頻器的輸出，以使輸出電壓維持在電網要求的合理范圍內。除此之外，PI 控制能夠處理系統中的穩態誤差，使得PI控制算法在應對風力發電系統動態變化時表現出色，有效提高了系統的動態響應性，并通過積分操作來逐漸消除這些誤差。

4.2 模型預測控制算法

在雙饋異步風力發電機中，MPC 算法以其靈活性和高度精確的控制特性，為系統提供了有效的運行保障。具體而言，模型預測控制（MPC）算法是一種先進的控制策略，其核心思想是通過建立系統動態模型，預測未來一段時間內的系統行為，并在每個時間步上進行優化控制。

MPC 算法通過建立雙饋異步風力發電機的動態數學模型，考慮系統的非線性特性和各種約束條件，包括電機的物理約束、電流和電壓的限制等，模型將系統的輸入（控制信號）與輸出（狀態變量）關聯起來，形成了一個多變量優化問題。首先，MPC 算法通過考慮系統的時間動態性，能夠提前對風力發電機的運行狀態進行準確估計，從而具備更好的預測性能，精準的預測性能使得MPC 能夠在系統出現擾動或變化時更靈活地作出響應，確保系統能夠迅速適應新的工作條件。其次，MPC 算法在每個時間步上進行系統狀態的優化控制，以使系統的性能指標達到最優，從而調整雙饋異步風力發電機的電流、電壓和轉速等參數，最大程度提高系統的能量轉換效率、維持電網電壓和頻率的穩定性。最后，根據反饋的控制結果輸出對應的參數，綜合考慮系統的非線性特性和各種約束條件，為雙饋異步風力發電機變頻器系統的運行提供了高效控制。

5 結語

綜上所述，雙饋異步風力發電機變頻器運行控制階段，通過變頻器的變頻調節、最大功率點追蹤（MPTT）控制，以及風機側電壓的控制，實現了風力發電機工作效率的全面提升，雙饋異步風力發電機變頻器控制技術在具體應用過程中通過PI 控制算法，以及模型預測控制（MPC）的算法整合，實現了對風力發電機在不同風速和電網條件下的高效、穩定運行，其中，PI 控制算法通過比例和積分項的調節，確保系統在瞬時和穩態下的優越性能，MPC 算法則通過建模、預測和優化，實現對系統的精準控制。總而言之，雙饋異步風力發電機在復雜多變的環境中展現出卓越的適應性和可靠性，雙饋異步風力發電機變頻器運行控制技術對風力發電系統更高性能和更可靠運行的需求，同時也服務于推動清潔能源技術的發展，為實現可持續能源做出貢獻。