双馈型风力发电机最大风能追踪控制研究

2018-09-14滕志飞张永刚朱乐

农业科技与装备 2018年2期

滕志飞张永刚朱乐

摘要：风力发电是利用风能的一种有效手段，提高风能利用率成为风力发电研究中的重要内容。提出一种风力发电最大风能追踪控制技术，通过控制双馈型风力发电机转速最优曲线，实现不同风速下的最大风能追踪，用以提高风力发电效率和降低发电成本。

关键词：风力发电；最大风能追踪；双馈电机；仿真

中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2018）02-0024-03

近年来，随着世界各国对新能源发电的不断关注和技术的不断发展，新能源发电系统的装机量不断加大，而其中风力发电是新能源发电的主要手段，风力发电的总装机量和单机容量都在逐年加大。大力发展风力发电系统是我国电力可持续发展战略的必然趋势，同时我国地域辽阔，风能储量大，很适合风力发电发展。在风力发电系统中，变速恒频发电系统相对于恒速恒频系统具有更高的运行效率，因此越来越受到重视。本课题重点研究双馈型变速恒频风力发电的最大风能跟踪技术。

1 双馈型风力发电系统

风力发电机主要由风力机和发电机两部分组成。风力机利用空气流动的动能推动风轮旋转并将其转换为机械能，发电机将风力机传送来的机械能转变为电能输送给负载。目前使用的风力发电机主要有两种：鼠笼式异步发电机和绕线式异步发电机。前者转速受电网频率的约束基本保持不变，而风力机是随转速变化的，因此很难达到最高的风能转换效率；后者可与转子输入相位、幅值和频率可调的三相交流电进行交流励磁发电，成为双馈发电机。通过调节励磁电流，发电机可在风力机保持最佳叶尖速比的情况下恒频输出，这样便于并网运行，且風能利用率接近最大值，有利于电网的稳定运行。双馈型风力发电机系统结构框图如图1所示。

2 最大风能追踪

随着风力发电技术的快速发展，双馈型风力发电系统因在最大风能追踪上具有在一定范围内变速运行的特点，其优势也逐渐显现出来。双馈型风力发电机的最大风能追踪是指系统工作在启动风速和额定风速之间时，风力发电机在运行时的CP（功率系数）值保持最大。最大风能追踪的整体控制结构如图2所示，其中风力机与风力发电机同轴相连。

2.1 最大风能追踪控制策略

对风力发电机进行研究可知，在风速一定时，风力机的输出功率取决于风力机的功率系数CP。风力机工作在不同风速时的转速与输出功率的关系曲线如图3所示。

为了使风力发电机在运行时最大程度地吸收风能而实现最大功率跟踪，应使风力机稳定在最大功率输出点上。而通过对该曲线进行分析可知，对双馈型风力发电机进行有功和无功功率解耦，从而控制发电机的有功功率实现最大风能追踪的控制策略是可行的。

2.2 最大风能追踪控制算法

对双馈型风力发电机的定子电压或定子磁链进行定向的矢量控制，是P-Q解耦控制的本质。由于定子磁链的计算与发电机的参数有很大关系，如参数不正确、温度改变等因素会造成定向错误、降低矢量控制的性能，因此选择电压定向控制的方法。

双馈型风力发电机的电压定向矢量控制解耦算法如下：

1）在系统中读入发电机转速数据，并通过下式计算出有功功率参考，无功功率参考为0。

2）在系统中读入电压、发电机定子电流等数值，经过a-b-c到d-q坐标变换后经下式进行计算，得出功率反馈值，并与参考值进行比较，输出定子电流参考。

3）由磁链观测器和定子电流参考值输出定子磁链幅值，并由下式计算出转子电流参考值。

4）在系统中读入转子电流值，经过a-b-c到d-q坐标变换后与参考值比较，并由电流调节器输出电压解耦分量，电压解耦分量加上电压补偿分量得出转子电压参考值，最后得到转子侧变频器的驱动信号，来完成电压定向适量的解耦控制。

3 最大风能追踪仿真分析

利用SIMULINK计算机仿真软件为双馈型风力发电机的大型变速恒频风力发电系统建立动态数学模型，包括风力机、传动机构、发电机和控制器4个部分。将上述4个部分进行封装，再加上电网模型，即构成变速恒频风电系统仿真模型（如图4所示）。