兆瓦级变速恒频风力发电系统控制研究

鲍洁秋韩刚张翼段志强

摘要：当前，变速恒频技术在风力发电系统的控制中得到广泛应用。阐述变速恒频控制技术及其运行原理，针对兆瓦级变速恒频风力发电系统，提出可靠的控制策略，以实现对风力发电系统进行变速恒频控制的目的。

关键词：变速恒频 风力发电 控制 功率曲线

中图分类号：TM614文献标识码：A文章编号：1674-1161（2015）02-0037-03

目前，风力发电系统输出的有功功率和无功功率均可调节，但其不易满足恒速恒频的控制要求。随着电力电子技术的发展，风力发电系统的控制得以促进，变速恒频技术取得一定进步，并在风力发电系统中得到推广应用。

1变速恒频控制及运行原理

通过分析贝兹理论，得到变速恒频的控制原理，即：控制风力机的转速按某个函数关系随风速而变化。在此基础上采用某种控制方式，使风力发电系统能够输出恒定频率的交流电。风力机的机械功率Pm在发电过程中将转变为发电机输出的电功率PS、系统动能变化△Pk及系统损耗APs，即：

风力机的转速和功率曲线关系如图1所示，图中Popt。曲线是在各风速下风力机最大输出功率点的连线，电就是最佳功率曲线。

由图1可以看出：在最佳功率曲线上，风速、风力机转速和系统输出功率是对应的：在同一风速下，转速不同，风力机输出的功率也将不同。如果能够追踪Popt曲线，保持叶尖速比为最佳，便可最大限度地捕获风能。因此，在风速变化时需要及时准确地控制风轮机转速n，这即是变速恒频控制技术的主要思想，

2兆瓦级风力发电系统控制策略

2.1兆瓦级风力发电系统结构

兆瓦级风力发电系统结构如图2所示，

兆瓦级风力发电系统一般采用永磁同步发电机系统和变桨距风轮，发电系统采用AC-DC-DC-AC的变频方式，其中整流部分不可控，所有的控制过程是利用MOSFET和可控逆变器在DC-DC变换过程完成的，因此，输出恒压恒频的任务通过逆变器来实现。如果风速低于额定风速，需要控制逆变器来实现发电机转速的控制。

发电机输出的交流电经过不可控整流器件传输到初级直流母线，直流母线电压Udc和发电机输出电压成正比。由于发电机输出电压随风速变化，所以初级直流母线电压存在较大波动，故需经过滤波后才能作为DC-DC变换的输入，在可控DC-DC模块巾升压后输出到二级直流母线。二级直流母线的电压幅值趋于稳定，再经过可控逆变器控制电压和输出功率

在电压变换过程中，DC-DC模块用于稳定直流母线电压，逆变器是整个系统中最重要的环节。逆变器在并网前要保证系统输出参数与电网参数完全一致，在保证输出频率一定时，逆变器负责调相和调压：发电系统并网后，电网锁定发电机定子的旋转磁场，逆变器的输出电压将跟随电网电压进行工频旋转，此时系统的控制目标为获取最大风能，并保证风力发电系统的功率因数可调。

2.2风力发电系统最大功率输出模式

风力机在额定风速以下时，风力发电系统工作在最大功率输出模式，此时系统以获得最大风能为控制目标。对应于任一转速n，风力机有最大功率输出Pmax=kn3，其中包含系统传输过程中的损耗AP，则发电系统馈人电网的有功功率P=Pmax-？P。因此，需要控制逆变器馈入电网的电流频率、幅值和相位，使馈人电网的有功功率能够跟踪指令P，实现对发电机转速控制，并且保持最优叶尖速比，获得最大风能。同时，通过控制逆变器输送到电网的无功功率，能够改善系统功率因数。

风力发电系统与电网的连接等效成纯感性电抗，系统的能量传输如图3所示，发电系统和电网电压之间的向量关系如图4所示。图中：X。为发电系统与电网之间的感抗；P1，Qt为逆变器输出的有功功率和无功功率；Pns，Qa为输送到电网的有功功率和无功功率：vI，Vs为发电系统输出电压和电网电压。

由公式（3）可知，通过控制逆变器输出电流可以调节逆变器输出有功功率和无功功率，其方法为：通过控制逆变器输出电流的频率、幅值和相位，使逆变器输出的有功功率和无功功率跟踪P1和Qs，这样可获得最大功率并实现功率因数可调。利用闭环控制，能够控制逆变器的电流输出跟踪给定的参考电流，电流控制电压源逆变器的控制信号流程如图5所示。

2.3风力发电系统额定功率输出模式

风力机在额定风速以上时，风力机的变桨距系统开始运行，通过改变叶片的对风攻角来减小风力机的叶片受力，控制风力机获取风能维持在额定功率，并向发电机传送恒定的功率。通过控制逆变器的输m功率维持在额定功率，进而使发电机获得稳定的机械能量，保证系统的转速不变。根据分析，系统的额定电流为IN，额定电压为UN，只要控制逆变器输出电流能够保持在IN或输出电压能够保持在UN，即可实现系统输出额定功率。

3结语

本文针对兆瓦级变速恒频风力发电机组的控制问题进行理论分析与研究。从空气动力学的基础理论人手，分析风力发电机组运行时的最大风能追踪原理，通过构建风机受力模型，推导出理论风能利用系数；分析变速恒频运行方式，提出可靠的变速恒频控制策略，在不同风速下对风机转速与功率关系进行比较，得出最佳功率曲线，控制风机沿着最佳功率曲线运行，从而获得最大输出功率，以实现变速恒频的控制目的。

参考文献

[1]张希良.风能开发利用[M].北京：化学]二业出版社，2005.

[2]凌禹，张同庄，变速风力发电系统控制技术综述[J].电力自动化设备，2008，28（3）：122-125.

[3]杜志伟，赵峰，田铭兴，等变速恒频风力发电的最大功率捕获控制研究[J].电气传动.2007，37（3）：7-10

ResearchontheControlofWindPowerGenerationSystemofMWVariableSpeedConstantFrequency

BAOJieqiul，HANGangl，ZHANGYj2，DUANZhiqiangr

Abstract：Atpresent，thetechnologyofvariablespeedconstantfrequencyiswidelyusedinthecontrolofwindpowergenerationsystem.Thearticleexpoundsthecontroltechnologyofvariablespeedconstantfrequencyanditsoperatingprinciple，suggestsreliablecoritroltacticsforwindpowergenerationsystemofMWvariablespeedconstantfrequency，inordertorealizethecontrolofvariablespeedconstantfrequencytowindpowergenerationsystem.

Keywords：variablespeedc，onstantfrequency；windpowergeneration；control；powercurve