变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制探讨

张陆路

摘要：伴随着石油、煤炭等传统性能源产量的不断减少，发展可再生能源成了各国不容忽视的能源战略。伴随风力发电机组本身容量的逐步加大，全面提升机组的运行可靠性和稳定性成为风力发电技术研究的热点问题，最大风能追踪控制成为研究的重点。文章以变速恒频风力风电机组为例，对其最大风能追踪的总控制与矢量控制过程进行了分析。

关键词：变速恒频；风力发电系统；最大风能追踪控制；风力发电机组；可再生能源 文献标识码：A

中图分类号：TM621 文章编号：1009-2374（2015）34-0119-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.34.061

变速恒频发电作为20世纪逐渐发展起来的全新的发电形式，集电力电子技术、微机信息处理技术与矢量变换控制技术于一体，并将其应用到发电机控制中，转变了传统发电概念中所认为的只有恒速才可恒频的想法，被广泛应用于变水头水力发电、飞机、汽车等变速主轴驱动的发电与能量随机变化的风力发电中，并表现出强大的优势，成为了当前电力研究技术中的重点研究对象。

1 变速恒频风力发电机最大风能追踪的总体控制

结合风力非发电机组本身特性，可把风力发电机组分成Cp恒定区、功率恒定区与转速恒定区三个不同区域，且不同区域也有着不同特性，需采取不同控制策略，就风力发电系统而言，要实现对系统的有效控制，区分各区域很有必要，特别是对最大风能追踪控制的实现更是有着重要作用。

1.1 Cp恒定区

该区域一般为非风力机组中的低风速运行区，整个机组依靠厂家所提供的原功率转速曲线控制。由最佳输出功率和转速关系式得出，在测量到转速信号后，就可求出最大输出功率的给定参考值，并将同实际测量的机组输出功率反馈偏差对比分析，借助PI调节器控制机组来实现转速，就可使风力机跟踪最大功率呈曲线运行。假设原有风速为，而风力机在稳定运行情况下，其最大功率区曲线的E点，且风力机的输入机械功率就能同发电机的输出电功率保持平衡；另外，倘若某一时刻的风速变成了，与此同时风力机的输入机械功率也在逐渐变小，且风力机的运行曲线也从E点转至到风速下运行的功率曲线的D点，相应的风力机输出机械功率则从Pe转为Pd，这时由于受到大机械惯性与控制系统调节滞后的影响，发电机的输出电功率会依旧在E点运行，这样一来，发电机的输出功率就会略大于其输入机械功率，而且过剩的功率也会使得其转速有所减缓，再结合风力机特性曲线可知，紧随风力机转速的逐步减缓，其输入机械功率将沿着转速功率曲线而不断上升，相应的，输出功率则沿着最大功率曲线而不断下降，最后两者在C点相交，且发电机同风力机也将在C点再次持平，而且参照这个原理也可得出风速突然增加的时候最大风能的追踪

过程。

图1 最大功率同风轮转速

1.2 转速恒定区

倘若维持最大风能，借助系数或是最佳叶尖速比恒定，紧随风速的不断加大，风力转速也将渐渐增大，而后在达到额定功率之前，该发电机就会首先到达转速恒定区，而在进入到转速恒定区后，其发电转速就会维持在一个水平，不会受到风速的影响。在该运行区域中，风机就不是在最佳叶尖速比下运行，加之转速恒定，故紧随风速的不断增大，将逐渐减小，但减小幅度不大。图2就是双馈异步电机于转速恒定区域时的控制原理，其中n表示转速当前值，△n为设定转速增量，是转速限定值。

1.3 功率恒定区

转速恒定后，伴随风速的加大，即便风机转速未加大，但因风机所吸收功率同风速存在的立方关系，使得风机吸收机械功率与输出电功率不断增加，最终致使整个风机大功率达到极限值。一般来说，风机进入到功率恒定区后，紧随风速的不断增加，只有借助风机转速的降低来降低Cp值，才能减少风机所吸收的机械功率，才能减少风机各部件所需承担的机械应力。如图3就是恒定功率的实现，而在实际应用中，因风机本身惯性较大，故多以恒定速度来降低其转速，以此来控制动能转换为电能的速度，这样一来，转速降低时，也不会因释放太多功率而给变流器与发电机带来的负担，缩短风机使用寿命。

图3 功率恒定区控制

策略图 图4 变速恒频风电系统的

矢量控制图

2 变速恒频风力发电机最大风速跟踪的矢量控制

要想做到最大风能追踪控制，就需适当加大风机输入机械功率，即加大电机输出有功功率，而这就需要对双馈异步电机开展输出有功与无功功率的解耦控制。在这里可将交流电机中所用到的“矢量变化控制思想”导入其中，并由此推导出“定子磁链定向矢量变换关系”。即结合“坐标变换理论”，以形成等同“旋转磁动势”为原则，把三相坐标系中的交流量借由三相两相转变为等效的两相静止坐标系中的交流电流，进而借助旋转坐标将其转换成具备一定旋转速度的旋转坐标系中的直流电流，由此定转子电流就被分解为了转矩分量与励磁分量两种，并对其展开分别控制处理，则可完成对双馈异步电机的“解耦控制”。同时因双馈异步电机中的定子绕值是同大电网直接连接的，故在电网稳定的时候，其定子电压就为一个恒定值，基于此，变速恒频双馈异步电机的矢量控制系统一般多采用的是定子磁链定向形式或是电网电压定向形式，进而在此基础上借助定子磁链定向矢量控制技术，在变流器系统内把网测变流器的定向形式转化为基于电网电压定向的矢量控制技术。而且因这个系统选用的为双闭环控制结构，其中外环是功率环，而内环是电流环，分别借助电流互感器与电压互感器测定其电压与电流值，并对结果进行坐标转换，得出有功与无功功率反馈值，继而结合电流互感器所检测到的信号，展开磁链观测计算，获得定子磁链值与同步转速，再借助编码器获得转速信号与之前所获值，分别求得参考功率与电压补偿，其中无功功率的参考值可具体结合电网需求来设定或是借由双馈异步电机消耗无功率来求得。如图4就是系统的适量控制图，先对比分析风机参考有功功率、无功功率同反馈值差值，借助PI调节器对差值加以调节，得出定子电流参考值，并求得转子参考电流值，而后再通转子侧电流反馈值对比分析得出差值，并借助PI调节器调节得出系统解耦项，最后经交叉耦合补偿，得到转子参考电压的无功与有功分量，把电压借由坐标转化，后输入PWM交流器，以此来控制风机的转子转速，而这也是“风速恒频风力发电系统的适量控制过程”。

3 结语

综上所述，关于变速恒频风力发电系统的最大风能追踪控制，其实就是通过对发电机输出有功功率的控制来合理调整其电磁转矩与转速，进而在风速变动的情况下确保最佳叶尖速比的恒定，以此实现对最大功率曲线的动态追踪。而且，文章把定子磁场定向矢量变换控制技术用到了双馈型的异步发电机控制上，结果得到了发电机无功与有功功率的解耦控制能力，从而为追踪并获得最大风能提供了有利条件。

参考文献

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（责任编辑：秦逊玉）