基于直接功率控制的风力发电系统研究

杨其恒

摘要：模型预测直接控制方式能够有效提高风力发电系统的运行效率，使其较为迅速的作出动态响应。为保证运行的稳定性，同时满足低谐波输出性能的相关需求，需保证采样频率的高效性。若电网长期处于不平衡状态下，系统内部电流将受到影响，使其发生畸变。为了使上述问题皆能得到有效解决，本文提出模型预测直接功率改进的相关方法，此方法不但能够在电网平衡条件下得到稳定运行，在电网不平衡条件下此方法也能较为有效的实现高效运作。

关键词：风力发电系统;直接功率控制;电网不平衡

随着我国各项工业的不断完善，环境污染问题也日渐严重，此背景下，可再生能源呈持续稳定发展趋势，在可在生能源中，无污染的能源即为风能，其能够使我国生态环境得到有效改善，因此风能也开始逐渐受到人们的广泛关注。大容量齿轮箱即为风力发电系统中较为关键的组成部分，但其运行总效率相对较低，此现象一定程度上降低了风力发电系统运行效率，使其发展受到影响。经不断改进，直驱式风力发电系统出现，此系统作为现代较为新型系统，不但能够实现直流电流和交流电流的转换，还使发电机能够同步于风轮机的直接驱动永磁，实现并网效率的提高。

1.风力发电系统的研究现状

风力机的桨叶旋转主要由自然風所带动，自然风帮助风力机实现了能量转换。自然风本身存在一定弊端，其风具备任意性及波动性等特质，较大程度上限制了风力机输出期间的机械功率。机械功率的整体控制主要在电能产生的过程中，呈现于人们的视野。风力机能够根据控制方法的不同进行具体划分，分别为变桨距、主动失速及定桨距控制型。

1.1变桨距控制型

变桨距控制型主要指风力机的桨叶通过其内部结构实现与轮毂的连接。在连接期间，若风速产生变化，桨距角能够根据变化的具体情况作出改变。由此可看出，桨距角在风力发电系统中起到较为关键的作用，其能够保证风力机的运行稳定，实现系统输出功率上的有效提高。风速本身即存在不稳定性，若风力在系统运行期间所产生的变化幅度相对较大，那么变桨距也可对风力实现实时控制，使风速得到较大程度削弱，进而降低风速对塔筒等部件所造成的影响，从而使系统的整体运行寿命得到延长。由以上分析可看出，实现功率曲线平稳、有效控制变桨距桨叶、降低整机重量等方法，能够较大程度上提高风力发电系统的核心竞争力，使其在市场竞争中占据一定位置。但变桨距控制型存在一定弊端，其要求相关人员必须精准控制系统结构与桨叶的衔接，若此期间桨距角产生任何程度的变化，都将引发系统出现事故，从而提高系统的整体维护效率。

1.2主动失速控制型

主动失速控制型主要指风力机的桨叶在设计期间依然采用较为特殊的技术基础上，对风力机结构的气动特性进行充分利用，并且轮毂与桨叶依然能够处于连接状态。与此同时，相关人员在此期间应及时对桨距角形成有效调节。如此，不但能够使主动失速控制降低整机重量，还能够实现输出功率上的提高，进而从根本上降低机构整体的控制难度，使输出功率得到平稳。风力发电系统的运行环境存在多变性，多处于高风速、低风速以及刹车制动等环境下，此环境期间，风力机能够实现对机构的有效控制，实现功率输出效率的提高，从整体上降低功率损耗现象，进而保证系统控制的整体平稳性。近几年，在风力发电系统的运行过程中，主动失速控制风力机得到较为广泛的应用。

1.3定桨距控制型

定桨距控制型顾名思义，主要指风力机运转期间的轮毂与桨叶进行连接，同时运行期间并未与控制系统及衔接机构进行连接，此期间风力机的桨距角不会因为风速所产生的而变化而受到限制。桨叶的长度及形状对输出功率能够造成较大影响，换句话说，若想实现对输出功率的有效控制，必须及时对桨叶的长度及形状进行合理设置，桨叶长度越大，功率则越大。在风力呈上升趋势时，桨叶边缘的空气将产生较大变化，此区域的空气能够与桨叶出现涡流效应，此效应也可被成为气动特性。而控制定桨距，即通过涡流效应实现对机械功率的有效控制，避免其出现功率升高的现象。由此可看出，此类控制能够将系统的复杂性得到较大程度减小，进而实现安全指数上的提高。但此类控制存在一定弊端，桨叶在此期间将出现边长的现象，此现象将导致风力整体的抑制能力受到下降，进而导致桨叶出现变形、损坏等情况。由此可见，大功率机组的应用与设计较易受到定桨距的制约。

2.直接功率控制的风力发电系统

直接功率控制主要起始于直接转矩控制。电动机的直接转矩控制与直接功率控制存在较为直接的关系，其性质存在一致性，二者之间本质的区别即为被控量的差异性。直接转矩控制的被控量即为控制磁链及转矩，而直接功率控制与其存在较大不同，其被控量即为双核感应电机内部的定子功率，直接功率控制能够对其进行更为直接的控制。由此可见，相比较直接转矩控制，直接功率控制具备彻底性及直接性，能够较大程度上提高控制功率的有效性，直接功率控制在风电并网的过程中起到较为关键的作用。但直接功率控制依然存在部分问题，如功率脉动大及开关频率的变化等，若此类问题无法得到解决，将较大程度上影响风力发电系统的整体运行效率。因此，改进型的直接功率控制被相继提出，直接功率控制经改进后能够将传统直接功率控制与矢量控制进行有效结合，充分将传统的直接功率控制与矢量控制的优势进行结合，实现变频器开关频率及功率上的减少，从而有效控制恒定开关频率，保证风力发电系统的稳定运行。

针对改进型直接功率控制，主要在直接功率控制的过程中，对空间调制技术进行有效应用，同时，通过改进转子磁链及电磁及电流转矩的方式，实现对直接空滤控制的改进。据可靠数据表明此种方式能够较大程度上缩短转子电流振荡周期，从根本上使发电品质得到提高。同时，我国相关人员针对直接功率控制的改进也有了不同的研究，即在定子电压定向坐标系下，通过对功率的具体研究及设置，使功率能够在最小采样周期环境下，使其与参考值相符合，通过系统相关的控制理论，在风力发现系统中，将控制电压的矢量进行选择，如此能够使计算方法所存在的滞后性得到有效消除。据可靠数据表明，此方法能够较大程度上实现系统相应速度上的增强，从而使系统整体的开关频率得到完善。

结语

综上所述，现代风电装机类型中，应用较为广泛的即为发电机的风力发电系统，因此，针对风力发电系统的具体控制方法进行完善，实现风发电品质及发电效率上的提高，能够较大程度上促进风力发电系统的稳定运行。近几年，直接功率控制较为广泛的被应用于我国风力发电系统中，但其在运行过程中依存存在部分问题，本文即针对其控制改进措施进行分析，通过改进实现传统直接功率控制及直接转矩控制的有效结合，从根本上实现风力发电系统运行效率及稳定性的提高，实现风力发电系统的持续发展。

参考文献

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