变速恒频风力发电自动控制系统的设计

叶金海

（浙江绍兴文理学院 元培学院，绍兴 312000）

变速恒频风力发电自动控制系统的设计

叶金海

（浙江绍兴文理学院 元培学院，绍兴 312000）

本设计简单介绍了变速恒频风力发电系统的自动控制，按照相关文献的介绍，首先阐述了变速恒频风电技术的优点，论述了当今变速恒频系统对风力发电有重要的促进作用。其次简单分析了变速恒频风机的工作原理，最后从控制角度分析了风力机的自动捕风原理，通过对其数学模型以及曲线的分析，了解其工作的基本步骤，以及如何实现自动捕风的过程。通过对上述内容的整理逐渐形成本篇论文设计。

变速恒频；数学模型；风力机；自动控制

1 概述

当今社会，能源短缺和环境污染问题影响着社会的可持续发展，可利用化石能源不能满足日益增长的电力需求，为此需要大力发展清洁能源，而风能作为清洁可再生能源，并且我国也就有丰富的风力资源，因此发展风力发电具有不容忽视的战略意义，同样有效利用风能发电是当今世界关注的焦点。

随着风力发电机组的容量变大，有效的提高发电机组的运行效率成为风能利用的潮流，对于此类要求，变速恒频自然成为不容忽视的手段。

1.1 风电发展概述

太阳辐射到地表导致不同的温度差，进而形成风。随着化石燃料的利用，风能也越来越引起人们的重视。据相关估计，全球风能总量约为3亿兆瓦，，但是可以利用的风能约占总量的1%，相比于水电，这是非常巨大的能量储存。对于我国来说，风能资源非常丰富，据不完全统计我国可以利用的风能资源在2.53亿千瓦，这相当于约1000座百万瓦量级发电站，因此风能作为清洁能源越来越受到世界各国的重视，基于风能发电的各项研究也相继展开。

我国风力发电起源于50年代末的布篷式风车，在80年代更是得到了迅速的起步发展。例如80年代初，我国生产的10KW容量以下的风电机，大大解决了相关居民生活用电情况，对发展有很大的作用。而现在，新疆、内蒙、山东等沿海省份更是确立了相关性的风电场，对我国的风电发展起到巨大的促进作用。

1.2 风力自动发电的发展现状

各国对风能的重视体现了风电机组的装机容量不断增大，与此同时，风电发电设施更是逐渐形成了水平轴、上风向、三叶片、管式塔的统一格局。特别是随着自动控制系统、电力电子技术、计算机技术等相关技术的飞速发展，风能发电更是取得了一系列的成就，这主要体现在以下几个方面：

1）风电发电机组的装机容量不断增大，这更适用于用户的需求，进而节省陈本；

2）为避免定桨距调节方式中的超过额定风俗发电机组的功率下降的缺点，变桨距代替定桨距调节，这样就能最大程度的利用风能；

3）风电更趋向于变速恒频，相比于传统的恒速恒频这大大提高了发电效率，节省了成本；

4）在无齿轮箱中大多采用直驱方式，提高传输效率，将风力机的输入机械转矩最大程度的转化为电机的机械能。

1.3 本设计所研究的内容

本设计按要求完成“变速恒频风力发电自动控制系统的设计”，具体研究内容如下：

1）变速恒频风力发电系统的优势；

2）变速恒频风力发电系统的基本原理以及结构组成；

3）从实现自动控制的角度论述了风力机运行特性，风力机的自动追风原理以及风力机的数学模型。

在设计当中，独立完成论文的相关要求，按照变速恒频的原理实现风力发电自动控制，同时本文也参考了相关的文献资料，按照国家标准、相关技术规程以及工程实例进行设计分析。

2 VSCF风电技术的原理

2.1 VSCF风电技术的发展优势

根据发电机的控制技术和电机运行状况，风电技术可以分为：CSCF技术（恒速恒频技术）和VSCF技术（变速恒频技术）。对于风力发电来说，VSCF具有不同于CSCF的发展前景和优势，也就是说VSCF更适用于风力发电，总的来说，可以概括为下面几个方面：

1）基于风能的种种特性，例如风力不稳定、时间性差别较大等相关因素的影响，怎样使风力机最大效率的利用风能转化为电能使用这是应该首要关注的。CSCF风电技术只是单纯的设定好相应的同步转速，但是当风速转变的时候，风力机的利用率就会大打折扣，效率降低，造成成本升高；而VSCF风电技术则是根据风力风速的大小适当调节风力机的转速，根据最优化理论，将风力机工作限定在最优运行方式，在很大程度上降低了成本。

2）相比于CSCF技术，VSCF风电技术更容易与电网相耦合，这样就减少了相应的技术手段和避免相应的麻烦。

2.2 基本结构组成

VSCF风电系统的结构描述为：在风能到达一定的密度之后，通过风扇的转动将风能转化为机械能，扇叶的转动带动了齿轮箱的运转，实现机械能的传递，齿轮箱的带动发电机转子在励磁磁场中运作，实现由机械能向电能的转化，最后在定子绕组中产生感应电流，通过电网实现供电。基于上述理论，我们可以得出变速恒频风电系统的基本组成包括：风电机、DIFG、变频器和主控制器，具体如图1所示。

2.3 变速恒频系统的发电原理

变速恒频系统中的DIFG结构类似于绕线式感应电机机，对于DIFG来说，定子并入电网，电机的转子绕组通过频率、相位、幅值均可调的电源供给三相低频励磁电流。在三项低频励磁电流的激励下，转子绕组中会出现一个低速旋转的磁场，这时定子磁场的磁场同步转速等于低速旋转磁场的转速与转子机械转速之和，即

图1 DIFG风电机组结构图

式中，w1是定子绕组产生磁场的磁场同步转速；

w是转子的机械速度；

w2是转子绕组产生的低速旋转磁场的转速。

基于上式，由于存在低速旋转的磁场致使发电机定子绕组中感应出同步转速的工频电压，也就是说风速变化引起发电机转速变化的时候，自动控制系统会相应改变转子电流的频率和旋转磁场的转速来平衡电机转速的变化，进而实现了变速恒频的要求。举例来说，当发电机转速低于同步转速时，发电机处于亚同步运行，也就是说变频器向发电机转子提供正相序励磁，此时w1＝w＋w2；而当发电机转速高于同步转速时，发电机处于超同步运行，此时w1＝w－w2；当发电机转速等于同步转速时，发电机处于同步运行状态，变频器向转子提供直流励磁，此时的转子机械速度为0.通过上述的调节达到恒频的目的。

双馈发电机之所以能进行变速运行是在交流励磁变速恒频发电的基础上。对于有功功率和无功功率的独立调节，可以采用矢量控制方式。根据矢量控制技术的原理，调节风机的转速，进而调节最大风能的利用，实现有功功率的调节；调节电网的功率因数，即调节风电机组及相关点网络的动、静态运行稳定性，实现无功功率的独立调节。通过有功功率和无功功率的独立调节实现变速的目的。

总的分析以上结论就不难推导出DIFG的变速恒频的工作原理。

2.4 风力机“自动捕风”的分析研究

2.4.1 风力机的运行特性

风力机作为风力发电系统中的原动机，它通过扇叶将风能转化为机械转矩，之后再传给发电机产生电能。因此，对于风能最大化的利用前提就是风力机能自动的适应风的变化，这直接影响到整个风电系统的可靠性运行。根据相关公式可得，风力机的输入功率为：

式中：r是空气密度，取值范围介于1.25～1.29Kg/m3；

R是风轮半径，单位为m：

V是风速，单位为m/s。

但是，风力机也具有一定的效率，即有个利用率常数K，故风力机的机械输出功率为：

根据上述公式来看，对于风力机的有效利用只有适当的提高K值，就是提高风机的利用率，这样才会提高风力机的工作效率。K值与风速、扇叶转速、扇叶半径、浆液节距角均有关系，特别是叶尖速比λ。根据VSCF风电技术更多的是利用变桨距，这样在很大的程度上就增大了利用率，如图2所示变桨距风力机特性曲线。

图2 所示变桨距风力机特性曲线

2.4.2 VSCF风电技术自动追寻最大风能原理

最大风能追踪体现了自动控制的基本思想，不在人或者间接有人干预下从而有效的进行操作生产。只有计算出交流励磁发电机的参考输出有功功率P，根据相关公式准则，实现在最大风能追踪。

首先VSCF风电系统有最大的输出功率，这样的话就有：

具体原理可以综述为如图3所示：如果风速在风力机的稳定运行在A点处，风力机稳定运行在w1。如果某个时刻风速升到V2，由于风力机的转速不能突变，所以根据曲线所示就会有一个渐变过程。到达另一个稳定状况之前首先移动到B处，此时转速不变，但是输出的功率变大。到达B点之后，输出功率也迅速增大，发电机的输入转矩也迅速增大，由于转矩增大，相应的转速也会增大（转速正相关于转矩），随着转速的增大，达到一定的程度之后，转矩平衡，转速也就固定在定值w2，即C点，到达新的平衡状态，这也就实现了风能的自动追捕。

图3 最大风能追踪原理

2.4.3 风力机的数学模型

风力机的数学模型就是用风力机的输出功率Pm来表示风速的的函数，通过数学模型的构建，可以很清晰的得出输出功率Pm在不同风速下的取值，具体如下所示：

式中：

v是风速，单位为m/s；

vin，vp，vout分别是风力机启动风速，额定风速和切出风速，单位均为 ；

Pp是风力机额定功率，具体单位根据风力机的参数设定。

3 结束语

本文从自动控制的角度分析了变速恒频风力发电技术的核心内容，对于风力机的自动补风进行系统性的分析，围绕如何实现自动补风，本设计从数学模型、函数图像角度进行分析，从而得出实现补风的自动化研究。风力机的自动补风对于变速恒频风电技术有重要的促进意义，风力机的最大程度的有效利用可以减少风电的成本、相对性的提高装备的使用寿命，从而对社会的发展进步具有重要的意义。

[1] 潘再平. 风力发电中的变速恒频技术.能源工程, 1993(2)：18-22.

[2] 王秀丽. 双馈型风力发电系统励磁电源控制策略的研究.山西： 太原理工大学, 2006.

[3] 叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M]. 北京： 机械工业出版社, 2006： 85-88, 137-143.

[4] Dajib Datta. Rotor side control of grid-connectext wound rotor induction machine and its application to wind power generation. In： Ph. D. dissertation, Dept, Elect, Eng, Indian Inst, 2000.

[5] 李娟娟. 双馈电机适量调速系统及仿真. 安徽： 合肥工业大学, 2004.

[6] S. Williamson and A. C. Ferreira,“Generalized theory ofthe brushless doubly-fed machine： Pan 2： Model Verification and Performance,”IEE Proc., Electrical Power Application, 144(2).

The design of VSCF wind power generation system

YE Jin-hai

TP273

B

1009-0134(2011)5(下)-0133-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).42

2011-01-17

叶金海（1988－），男，浙江湖州人，本科，研究方向为计算机应用。