新型雙功率流風力發電系統控制措施分析

劉利成

摘 要：近年來，雙功率流風力發電系統主要采用電氣無級變速器及電池儲能裝置，目前作為新型風力發電系統結構而備受關注。本文初步分析探討了該系統的控制措施，對于提高該系統的廣泛應用具有一定的參考價值。

關鍵詞：風力發電系統；雙功率流；控制措施

中圖分類號：TM346 文獻標識碼：A

1 前言

目前，在電力行業應用最廣泛就是變速恒頻雙饋風力發電系統和永磁直驅風力發電系統。這兩種系統在理論及應用中各有利弊：雙饋風力發電系統具有對有功和無功功率解耦的額控制功能，變頻器只需30%左右風力機額定功率的容量，但因風力機在轉速上相對較低。一般情況下，需要利用多級齒輪箱實現速度提升功能，但在實際應用中，多級齒輪箱故障率較高，易提高系統維護成本，進而影響效率。永磁直驅風力發電系統不具有齒輪箱結構，但發電效率相對較高，使系統增加可靠性，但不足之處是需全功率電力電子變換器，電機都具有相對較大的體積和重量，這在一定程度上增大了設計安裝難度。而兩個系統輸出電能的增加主要是利用變頻器并網實現的，將對電網產生一定污染。由于風能具有隨機性，使輸入風力發電系統的電網功率隨機發生變化，影響大電網的穩定性。為此，提出基于電氣無級變速器的雙功率流風力發電系統，利用雙機械端口電機實現無級變速，進而替代機械增速齒輪箱。

2 雙功率流風力發電系統工作原理

系統結構中的電氣無級變速器具有的外轉子與風力機連接，定子繞組利用背靠背變頻器連接內轉子繞組，直流側利用直交流變換器連接電池儲能裝置。機械功率由風力機傳來經過電氣無級變速器分為機械功率流和電功率流，按照發電系統需求，電池儲能系統對充放電狀態進行合理調節，電池在系統輸入功率超過輸出功率需求時進入充電模式，多余功率存入電池。電池在系統輸入功率低于輸出功率時進入放電模式，短缺的功率主要由電池負責提供。

3 雙功率流風力發電系統控制措施

3.1 定子側控制措施

系統利用控制定子側變頻器實現最大風能跟蹤，電氣無級變速器外轉子連接風力機，外轉子和定子可視為普通永磁同步電機，控制最大風能措施依據傳統永磁直驅風力發電系統確定，以功率反饋法為基礎采用跟蹤控制最佳電流給定最大功率的相關措施，該措施較為便捷，只需要電流環就能實現。

3.2 變槳距控制措施

雙功率流風力發電系統的變槳距控制措施可結合系統實際，根據傳統系統變槳距控制方法。外轉子轉速及外轉子側吸收的風力機輸入功率在變槳距控制下保持額定值，因槳距角在變槳距過程中的變化速度有限，通過設定閾值對槳距角變化速度進行限制。

3.3 電池儲能系統控制措施

利用控制電池儲能系統對系統功率流向進行調節，使直流側電壓達到穩定。電池利用兩橋臂直交流變換器連接直流側，電池保護主要利用增加的絕緣柵雙極型晶體管與耗能電阻實現，以防充放電產生電流、過電壓。直流側電壓采用開關器件通斷控制進行穩定，控制電池傳遞系統間的功率。利用耗能電阻將多余能量釋放，保護電池由于過充而發生損壞。

3.4 內轉子側控制措施

電氣無級變速器同電機內轉子與同步發電機進行連接，內轉子主要負責將功率向同步發電機傳遞，同步發電機并網采用的準同步與自同步并網方法十分成熟。內轉子在并網前，控制轉速與同步發電機保持一致，轉速環采用與同步發電機保持一致的同步速，利用矢量控制方法，內轉子轉速恒定值受內轉子繞組的通電頻率而發生改變。三相在矢量控制過程中靜止坐標向兩相旋轉坐標進行變換，以及兩相旋轉坐標向兩相靜止坐標進行變換，內外轉子可視為內永磁電機，內外轉子電角速度之差為電角速度。系統并入電網后，電網決定同步發電機轉速并保持同步速，連接的內轉子也保持恒定速度。內轉子不只是對轉速進行控制，也對功率控制進行轉變，與電網實際需求相結合，對輸入電網進而實現控制其有功功率。

4 仿真研究

4.1 仿真參數

結合電氣無級變速器模型及雙功率流風力發電系統各環節的控制措施，建立整體仿真模型。為使仿真結果明顯提高精確率，應充分結合系統損耗進行綜合分析，在仿真中對雙功率流風力發電系統運行中產生的損耗進行考慮。電氣無級變速器電機由于發生一定程度的機械損耗等，其銅耗與電流平方具有正相關關系，在仿真過程中易于得到相關結果，機械損耗可充分利用摩擦系數得到。因鐵耗模型具有相對復雜性，因而計算電氣無級變速器電機轉子鐵耗在不同轉速下采用軟件進行仿真，再將建立的仿真模型加入其中，仿真中與轉速相結合利用查表可獲得比較準確的鐵耗，蓄電池損耗利用適合的電阻與其串聯應模擬其損耗結果。對變頻器設置的內置電阻，在仿真過程中對其損耗進行計算。蓄電池容量在仿真模型中結合系統額定功率對參數進行合理選擇，以確保蓄電池在系統啟動時能提供相應功率，電池設置50%的初始荷電狀態。因蓄電池具有有限容量，在系統運行過程中對其充放電不能無限制，所以風力機應結合不同平均風速下吸收的最大功率，由雙功率流風力發電系統合理給定向電網輸出功率，在允許范圍內使蓄電池達到充放電功率。為使系統功率穩定平滑輸往電網，并結合系統損耗確定較為合理的輸出功率。

4.2 仿真結果

對雙功率流風力發電系統分別開展并網前后的仿真研究，系統在離網狀態利用對內轉子轉速的控制，同步發電機準備進行并網。系統并入電網后，并對內轉子向同步發電機傳遞的功率進行控制。結合實際風速，對給定系統輸出功率進行確定。

結語

綜上所述，新型雙功率流風力發電系統控制措施能夠使其對風能波動進行有效平抑，使風能提高利用率。雙功率流風力發電系統作為一種全新的風力發電系統正處在技術研究過程中，很多實際應用問題還有待于在日后工作中進行妥善解決。

參考文獻

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