雙饋風力發電系統控制策略研究

肖麗娜

四川東方電氣自動控制工程有限公司

雙饋風力發電系統控制策略研究

肖麗娜

四川東方電氣自動控制工程有限公司

隨著我國化石能源消耗的日益增長，造成諸多資源已經面臨枯竭。石油等化石能源不可再生和燃燒對環境造成嚴重污染，已成為人類實行可持續發展道路上迫切需要解決的問題，開發利用可再生能源是解決能源危機和環境污染問題的必然選擇。風能是所有可再生能源中發展速度最快和開發規模最大的，存在巨大潛力成為保護地球生態環境的清潔能源。如何最大程度利用風能以及控制風力發電系統功率輸出，成為風力發電領域的研究重點。

雙饋發電機；風力發電系統；控制策略

能源是人類發展進步的基礎，關系到國家社會、經濟全面可持續發展，當今世界，人類社會發展日益加速，社會的發展提高了人們的生活水平，同時對能源的需求也大大增加。隨著化石資源的日益枯竭和人類對全球環境惡化的倍加關注，尋找可替代的清潔能源成為國家能源戰略的重點。

1 雙饋異步電機運行的基本原理

雙饋異步發電機功率通常在幾百千瓦至幾兆瓦之間，發電機定子只能將風力機功率傳輸紿電網，因此定子中功率流動是單向的。轉子回路中根據發電系統的運行狀態不同，功率流動的方向也會不同，電網可以通過轉子側和網側變換器從轉子接收功率，也可以給轉子輸送功率。轉子經過變換器傳送的最大功率比全功率變換器功率小的多，為雙饋發電機額定功率的30%左右。

雙饋風力發電系統中，f1和f2分別表示雙饋電機定子和轉子電流的頻率，n1表示同步轉速，nr和ns分別表示轉子速度和定子速度。由電機學的知識可知，為了保持雙饋電機穩定工作必須使轉子磁場和定子磁場旋轉速度相同，必須滿足：n1=nr+ns；假定用P來表示電機的極對數，同步轉速n1和定子轉速ns分別可以表示成：n1=60 f1/P；ns=60f2/P。進一步可得出：從該式中可以看出，當風力機轉速nr變化，通過調節f2，維持f1不變。當轉子電流頻率f2大于0時，電機工作于亞同步模式；當轉子電流頻率是小于0時，電機運行于超同步模式；當電機是同步運行模式時，轉子側直接是直流勵磁。

2 雙饋風力發電系統變換器控制

2.1 網側變換器矢量控制策略

網側變換器在電網電壓正常的情形下，常常使用的矢量控制策略有兩種：第一種是基于電網電壓定向的矢量控制；第二種是基于虛擬磁鏈定向的矢量控制。電網電壓定向的矢量控制是以電網電壓的角度作為電流坐標變換的參考依據，通過控制dq軸電流實現控制網側變換器有功和無功的目的。虛擬磁鏈定向控制的目的是為了降低控制器成本，這種控制策略不需要電壓傳感器，把網側變換器等效成為了一臺由轉子側逆變器供電以電網同步頻率運行的交流電機。控制方法采用交流電機磁鏈觀測相類似的方法來獲取虛擬的電網磁鏈，從而省去了電網電壓作為定向矢量的參考，也就不需要電壓傳感器測量電壓。

2.2 轉子側變換器矢量控制策略

轉子側變換器常使用定子磁鏈定向的矢量控制和定子電壓定向的矢量控制。當采用定子磁鏈定向控制時，系統需要對雙饋電機定子磁鏈進行估測，使轉子變換器控制系統變得繁瑣，因此基于定子電壓定向的矢量控制是轉子側變換器控制中最為普遍使用的。電網可以看作無窮大電源，發電機的定子在額定工作狀況的電壓和頻率就是電網的電壓和頻率。雙饋異步發電系統定子電壓和頻率恒定使得使用定子電壓定向的矢量控制變得非常簡便。電壓定向矢量控制的系統具有不需要坐標變換，簡化了其系統結構的優點，也使得系統建模更加簡單。

3 風力發電系統的最大功率跟蹤控制策略分析

3.1 基于擾動控制的最大功率跟蹤策略

擾動控制法又叫爬山法，是從光伏發電系統的最大功率控制中移植過來的。

圖1 擾動控制算法流程圖

如圖1所示，當Pi＞Pnow時繼續按照PWM+blank方向調整；當Pj＞Pnow時，則按照PWM-blank方向調整。對于定步長的擾動控制方法，選用擾動步長過大可減小到達穩態的時間，但系統穩態誤差大；選擇小的擾動步長可使穩態誤差很小，但系統跟蹤速度變慢。為了解決矛盾，提出了變步長(blank)的控制方法，基本的控制原理是在初始狀態下為了提高功率跟蹤速度，可以將初始步長設置較大，在接近最大功率點的方向上使步長(blank)逐漸減小，這樣就保證了風力系統的輸出功率向增大的方向變化，輸出功率將會在功率最高點兩側較小的范圍內來回波動，系統穩態時跟蹤精度能夠達到最優。變步長的擾動控制方法雖然在跟蹤速度和穩態精度上具有優勢，但是控制方法較難，所需成本高，在小功率風力發電系統中不具備明顯的優勢。

3.2 基于風機功率曲線和擾動控制的最大功率控制策略

為了適應風力發電系統中風速等因素的快速變化，本文提出最大功率控制算法是綜合風力機定子功率-風速關系曲線的最大功率控制和變步長擾動控制提出的。理論上克服了基于風力機定子功率與風速曲線控制對于風速測量和定子功率-風速曲線精度要求高的問題。常規擾動控制策略的步長是直接擾動開關信號的占空比，從而達到控制輸出電壓的目的，但本文是基于定子電壓定向矢量控制原理，擾動控制擾動的不是占空比而是的轉子d軸電流的誤差信號。

現階段，隨著我國石化資源的日益枯竭和日益嚴重的污染問題，加大對可再生清潔能源的探索與研究迫在眉睫。風能作為一種清潔、無污染的可再生能源越來越受到人們的關注。在風力發電系統中，雙饋風力發電機是風電系統的核心部分，因此對雙饋發電系統進行研究具有重要意義。

[1]趙梅花.雙饋風力發電系統控制策略研究[D].上海大學，2014

[2]楊之俊.雙饋風力發電系統的故障控制策略研究[D].合肥工業大學，2009