變速風力發電系統變流與優化控制研究

李迎輝

摘 要：隨著科技不斷發展，大量的綠色能源被開發出來，通過風力進行電能產生的主要原始能源具有環保、持續性強等特點，為了加強風力發電系統的發電功率，針對風力發電系統的變流技術進行探討，通過對發電系統變流的逆變器控制方法進行研究，使用電力系統建模進行仿真實驗，對風力能源變流器的結構分析，從而研究出最大功率的獲取方法。

關鍵詞：風力發電系統 變流 優化控制

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（a）-0023-02

電能已經成為當前人類使用最廣泛的能源，電能的使用已經滲透到人們生活的各個角落。在經濟發展的過程中，由于電力系統容量不斷增長，并且專業技術不斷更新，在保證發電成本的情況下產生更多電能成為當前電力系統研究最重要的項目之一。風力是地球上最環保、成本低、用之不竭的能源之一，將風力運用到電力系統當中，可以極大的降低電力系統發電成本，并且保證生態環境不受污染。我國是風能資源非常豐富的國家之一，在我國東北、蒙古、青藏高原等地區，年平均風速可以高達6 m/s，并且持續時間約為4 000 h，在風力資源豐富的廣闊地區建立風里發電廠是保證我國電力行業發展的重要工作項目。并且，提高風能發電技術以及風力發電系統的優化控制等已成為保證風力發電系統運行的重要前提。

1 風力能源系統中逆變器的控制方法

風力能源系統的逆變器有單相逆變器與三相逆變器兩種。三相逆變器通常使用在大功率的系統中，單相逆變器通常被運用在中小功率的系統當中。當變流器安裝在同步發電系統當中的定子側時，需要逆變器在調節系統能能量的同時變化電能。

通常在系統運行的過程中，是通過電流與電壓對逆變器進行控制，而逆變器在運行的過程中由于負載不同，會導致負載參數的控制不同，所以需要根據逆變器運行中的電流與典雅來對系統進行有效的控制。

逆變器當中存在大量的全空性開關元件，便于電流與電壓的傳輸工作，并且電壓與電流的波形可以通過逆變器的開關進行有規律的控制，針對控制規律進行研究，從而研發出PWM控制技術。通過利用逆變器開關離散化電壓與電流，從而組成新的電壓或者電流。其中PWM技術的主要控制方法分為線性電流控制、滯環電流控制、預測電流控制等。線性電流控制通常用于傳統系統性能較低的系統，并且性能會隨著功率開關頻率而增加；滯環電流控制系統通常是通過電流跟隨的給定電流使逆變器進行電流電壓輸出，這種方法實際輸出的電流通常會被限制在電流周圍，并且形成正弦波形，并且具有反應快、準確度高等特點，不過由于開關頻率不夠穩定并且電流脈動過大，導致這種方法使用并不廣泛。而預測電流控制則是通過實際電流在傳輸過程中的誤差，來對負載量的誤差值進行預測，從而在下一調整周期減少誤差，當前這類調節器具有一定的局限性，不過可以為模型提供準確的系數參數。

2 風力發電系統建模

由于在建立發電系統之前，需要對各個系統性的資料進行測試，而如果在實際系統當中測試則會浪費大量的人力物力。所以，建立風力發電系統建模就成了研究風力發電系統特性的重要方法。在對風力發電系統的最大功率進行計算的過程中，可以通過PSIM的軟件進行仿真系統建模建立。通過有效電路，建立風力發電系統建模，從而再通過SIMULINK系統進行模型建模的仿真運行，并且通過系統當中已經存在的仿真模型板塊對變流器進行模擬，從而檢查模型的正確性。

電子電路系統最廣泛使用的軟件是PSIM。這種軟件擁有最理想的功率半導體開關模型，并且在方正系統運行的過程中結果比較穩定，并且模擬時具有計算速度快，計算結果穩定等特點。但是在實際運用的過程中，如果系統結構是用戶自定義設計，則會加大建模難度。

3 新型風力能源變流器拓撲結構

在風力發電系統發展的過程中，由于變流器結構基本一致，導致聯網型的風力發電系統中的電壓不是一個常數，并且在電流傳輸的過程中這個數值不會發生改變。其中系統中的電壓變化是受風速變化的影響。其次，在逆變器傳輸的過程中，電機通常加速較為穩定，并且電機輸出功率正常，但是在減速的過程中，電機可以通過逆變器對系統進行反饋，并且直接在電容器中儲存。其中，風力系統當中的電網容量可以作為無窮大，當直流電壓被過于太高之后，整流器則無法正常工作。當系統無法向電容系統傳送能力時，逆變器由于無功功率過于增加，則會導致諧波過于增大，使系統綜合能力下降。

3.1 單相逆變器

單項逆變器的使用可以直接放置二極管內電容被IGBT充電，通過增加阻斷二極管的方法可以直接解決。單項逆變器的聯網系統中有6種連接方式，IGBT為了阻斷二極管的電路，則會吸收電路當中的電容，導致數據較大。當IGBT的狀態發生改變時，如果橋臂上下兩個元件缺少關斷時間，則會直接導致直流環節短路。

3.2 三相逆變器

三相變速器在使用過程中依然存在直流環節電壓不足的問題，當出現這種情況時應當在逆變器當中增加二極管，通過仿真模型模擬之后確定方法的可用性。直流環節安裝阻斷二極管不會影響單項能量傳輸，并且IGBT與二極管并聯之后，三相線的電壓最大值會與安裝在三相逆變器的阻斷二極管的陰極電壓相等。同時，為了保證更好的能量傳輸性能，可以使用三阻斷二極管與二極管通路反并聯。根據電子系統仿真模型進行計算之后發現，IGBT開關方式與相短路電流具有一些關聯，如果使用科學的方法可以對相短路的電流進行控制。

3.3 倍壓整流器

在風力系統實際運用的過程中，如果使用額是單相發電機或者相發電機，則可以通過提高直流電壓的方法來增大功率輸出。當發電機開關與電容的中點連接之后，可以直接將直流電壓提高。當風力發電系統的受到的風力增加，則可以直接將開關復位，不必經過電壓，將整個系統調整為普通的電流。

3.4 升壓斬波器

為了避免三相發電機中的電路受到發電機轉柜的脈動，可以使用升壓斬波器來提高直流電壓，將升壓斬波器安裝在直流電容與整流器中間。升壓斬波器通常是由TGBT開關與二極管組成，可以通過電路控制電壓，如果當前風速較高，可以直接通過電路將開關關閉，由于通過斬波器控制的電流在整個系統當中是獨立的，可以保持系統運行的穩定性。

4 智能最大功率獲取算法

風力發電系統當中的最大能量轉換效率，通過監測葉尖速，從而計算智能最大功率，功率信號反饋控制需要建立在風機的特性參數的基礎上。所以，在進行風力發電系統的最大功率過程中，需要系統運行時使用HCS控制轉變的方法保持在最佳運行點。其次需要智能系統的監測與記錄工作都保持良好穩定的運行，從而可以使用PSF控制來獲取最大功率的數值。

在計算的過程中，可以將理想的風能使用一個系數來表示，從而獲得最大功率的數值，通過計算系統風速每三分鐘隨機變化的平均值，從而將小慣量的系統與大慣量的風機系統進行控制，從而獲取最大風能。這種控制算法是風力發電系統通用，與實際發電系統的硬件無關，需要了解逆變器的直流電壓，與另一個系統的輸出功率。

5 結語

為了變速風力發電系統擁有更好的發電性能，就必須對最大功率的獲取方法進行研究，通過構造建模以及模擬計算，獲得逆變器控制方法，并且根據控制方法來進行電流滯環、空間矢量計算等工作，從而加強風力發電系統的工作效率。

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