變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的探討

摘要：變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是當前風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)，在這一系統(tǒng)運行過程中對其進行針對控制具有重要意義。專業(yè)的控制是保證變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常運行的重要前提。針對該發(fā)電系統(tǒng)的控制主要是集中在電網(wǎng)低壓故障時的雙變流器控制以及網(wǎng)側(cè)變流器的控制。本文將結(jié)合發(fā)電系統(tǒng)原理來探討如何實現(xiàn)科學(xué)高效的專業(yè)控制。

關(guān)鍵詞：變速恒頻；雙變流器；網(wǎng)側(cè)變流器

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，是當前運行效率較高，電能質(zhì)量較優(yōu)的的發(fā)電技術(shù)。這項技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。隨著我國能源形勢的日益緊張，變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)能發(fā)電中的作用越來越重要。在這樣的背景下加強對變速恒頻發(fā)電控制技術(shù)的研究具有重要意義。

雙饋風(fēng)力發(fā)電是專業(yè)系統(tǒng)的的發(fā)電技術(shù)，這一系統(tǒng)的發(fā)電涉及到變流器控制、電網(wǎng)低壓故障控制以及電機控制等多個領(lǐng)域。這些方面的控制是保證變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)正常運行的重要措施。當前針對變流器的控制主要是通過矢量控制技術(shù)來實現(xiàn)，這一技術(shù)相較于其他技術(shù)而言比較方便。

1.非線性矢量控制

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個多變量、非線性、強耦合的系統(tǒng)，實現(xiàn)對這一系統(tǒng)的及時有效地控制，有必要采用非線性矢量控制的方法來實現(xiàn)。針對該系統(tǒng)的控制設(shè)計人員先是要推算出系統(tǒng)的狀態(tài)方程，而后根據(jù)狀態(tài)方程推導(dǎo)出逆系統(tǒng)，最后根據(jù)逆系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)模控制。

1.1.狀態(tài)方程。狀態(tài)方程是表述系統(tǒng)特性的一種典型手法，工作人員可以通過既定的數(shù)學(xué)模型來推導(dǎo)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)方程。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大控制目標是能夠充分利用風(fēng)能，也就是指在風(fēng)速一定條件下，能夠發(fā)揮發(fā)電系統(tǒng)的最大有功功率。因而我們要把風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有功功率作為被控制量。輸出量則應(yīng)該是無功功率。此時我們設(shè)輸入變量是u，輸出變量是y，那么我們就可以得到以下狀態(tài)方程和輸出方程.

1.2.對雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)專業(yè)分析。一個系統(tǒng)能否能利用非線性矢量控制技術(shù)來進行有效應(yīng)用，一個重要前提就在于該系統(tǒng)能否可逆。因而在控制之前還需要通過逆系統(tǒng)法來判斷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是否可逆。經(jīng)工作人員分析，該系統(tǒng)本身是可逆的并通過推導(dǎo)得出了雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的偽線性系統(tǒng)示意圖。

圖 1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的偽線性示意圖

1.3.逆系統(tǒng)內(nèi)模控制。在經(jīng)過詳細分析之后，工作人員把求得雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的a階積分逆系統(tǒng)串聯(lián)在原系統(tǒng)之前，就能夠得到具有線性傳遞關(guān)系的系統(tǒng)。而后由此便可得到系統(tǒng)內(nèi)部模型，最后根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部模型便可設(shè)計出內(nèi)模控制器，從而最終實現(xiàn)對系統(tǒng)的非線性矢量控制。

2.網(wǎng)側(cè)變流器的控制

雙頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)本身的的網(wǎng)側(cè)變流器是其中的關(guān)鍵設(shè)備，網(wǎng)側(cè)變流器的最終控制目標是要保持交流側(cè)單位功率因素運行以及直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定。工作人員通過對網(wǎng)側(cè)變流器的拓撲結(jié)構(gòu)進行專業(yè)性分析之后，便可得出電壓方程：

由此也能計算出系統(tǒng)傳遞的有功和無功功率分別是：

針對網(wǎng)側(cè)變流器的控制主要是通過電網(wǎng)電壓矢量定向來實現(xiàn)的，通過這種方法能夠有效地實現(xiàn)對有功以及無功的解耦控制。通過對有功和無功功率進行分析，就可以發(fā)現(xiàn)變流器傳遞的有功與無功是成正比關(guān)系的。三相PWM整流器的控制可以通過下圖來進行表示：

圖2 三相PMW整流器控制原理

3.電網(wǎng)低電壓控制

在變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中由于結(jié)構(gòu)因素的影響會導(dǎo)致機組對電網(wǎng)故障非常敏感。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障就會導(dǎo)致定子電流急遽增大，直流側(cè)電壓也將隨之升高。當前隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷成熟，DFIG機組在電力系統(tǒng)中所占容量越來越大，對電網(wǎng)的影響也隨之不斷增大。在這樣的背景下就必須要實現(xiàn)對風(fēng)電機組的嚴格控制，要讓DFIG風(fēng)電機組具有低電壓穿越能力。只有這樣才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通過在轉(zhuǎn)子側(cè)裝設(shè)Crowbar電路可以有效實現(xiàn)上述目的。正如下圖2所示，在電網(wǎng)電壓跌落之后，開啟Crowbar電路的IGBT將能夠有效地吸收轉(zhuǎn)子回路能量，從而達到抑制過電流的目的。這樣一種設(shè)計思路，毫無疑問是能夠滿足設(shè)計要求的。在今后工作過程中應(yīng)該不斷加強這方面的研究。

圖3 風(fēng)電場低電壓穿越要求

4.實驗

為了證明實際的控制效果，工程人員還需要做專門的實驗。工程人員為了驗證控制算法的正確性搭建了30kw的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的模擬展示證明了以上算法的正確性。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一項專業(yè)技術(shù)。在今后工作中應(yīng)該加強其控制技術(shù)的研究。

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國新能源開發(fā)尤其是風(fēng)能發(fā)電技術(shù)取得了快速進步。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)就是其中一項重要的發(fā)電技術(shù)。通過這一技術(shù)能夠有效實現(xiàn)對風(fēng)能的充分利用，對于緩解能源緊張形勢具有重要作用。本文詳細分析了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)，變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在工作過程中由于各種因素會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，此時就需要采用專業(yè)控制技術(shù)來實現(xiàn)控制。非線性矢量控制就是其中的典型代表，此外網(wǎng)側(cè)變流器控制以及電網(wǎng)低電壓控制也是我們需要關(guān)注的重點內(nèi)容。在今后應(yīng)該不斷加強這些方面的研究。

參考文獻：

[1] 李晶，宋家驊，王偉勝.大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組建模與仿真[J].中國電機工程學(xué)報，2004（6）.

[2] 林成武，王風(fēng)翔，姚興佳.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機勵磁控制技術(shù)研究[J].中國電機工程學(xué)報，2003（11）.

[3] 楊淑英，張興，張崇巍，等.基于自適應(yīng)諧振調(diào)節(jié)器的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電雙饋驅(qū)動研究[J].中國電機工程學(xué)報，2007（14）.