雙饋型風力發電機最大風能追蹤控制研究

滕志飛 張永剛 朱樂

摘要：風力發電是利用風能的一種有效手段，提高風能利用率成為風力發電研究中的重要內容。提出一種風力發電最大風能追蹤控制技術，通過控制雙饋型風力發電機轉速最優曲線，實現不同風速下的最大風能追蹤，用以提高風力發電效率和降低發電成本。

關鍵詞：風力發電；最大風能追蹤；雙饋電機；仿真

中圖分類號：TM311 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2018）02-0024-03

近年來，隨著世界各國對新能源發電的不斷關注和技術的不斷發展，新能源發電系統的裝機量不斷加大，而其中風力發電是新能源發電的主要手段，風力發電的總裝機量和單機容量都在逐年加大。大力發展風力發電系統是我國電力可持續發展戰略的必然趨勢，同時我國地域遼闊，風能儲量大，很適合風力發電發展。在風力發電系統中，變速恒頻發電系統相對于恒速恒頻系統具有更高的運行效率，因此越來越受到重視。本課題重點研究雙饋型變速恒頻風力發電的最大風能跟蹤技術。

1 雙饋型風力發電系統

風力發電機主要由風力機和發電機兩部分組成。風力機利用空氣流動的動能推動風輪旋轉并將其轉換為機械能，發電機將風力機傳送來的機械能轉變為電能輸送給負載。目前使用的風力發電機主要有兩種：鼠籠式異步發電機和繞線式異步發電機。前者轉速受電網頻率的約束基本保持不變，而風力機是隨轉速變化的，因此很難達到最高的風能轉換效率；后者可與轉子輸入相位、幅值和頻率可調的三相交流電進行交流勵磁發電，成為雙饋發電機。通過調節勵磁電流，發電機可在風力機保持最佳葉尖速比的情況下恒頻輸出，這樣便于并網運行，且風能利用率接近最大值，有利于電網的穩定運行。雙饋型風力發電機系統結構框圖如圖1所示。

2 最大風能追蹤

隨著風力發電技術的快速發展，雙饋型風力發電系統因在最大風能追蹤上具有在一定范圍內變速運行的特點，其優勢也逐漸顯現出來。雙饋型風力發電機的最大風能追蹤是指系統工作在啟動風速和額定風速之間時，風力發電機在運行時的CP（功率系數）值保持最大。最大風能追蹤的整體控制結構如圖2所示，其中風力機與風力發電機同軸相連。

2.1 最大風能追蹤控制策略

對風力發電機進行研究可知，在風速一定時，風力機的輸出功率取決于風力機的功率系數CP。風力機工作在不同風速時的轉速與輸出功率的關系曲線如圖3所示。

為了使風力發電機在運行時最大程度地吸收風能而實現最大功率跟蹤，應使風力機穩定在最大功率輸出點上。而通過對該曲線進行分析可知，對雙饋型風力發電機進行有功和無功功率解耦，從而控制發電機的有功功率實現最大風能追蹤的控制策略是可行的。

2.2 最大風能追蹤控制算法

對雙饋型風力發電機的定子電壓或定子磁鏈進行定向的矢量控制，是P-Q解耦控制的本質。由于定子磁鏈的計算與發電機的參數有很大關系，如參數不正確、溫度改變等因素會造成定向錯誤、降低矢量控制的性能，因此選擇電壓定向控制的方法。

雙饋型風力發電機的電壓定向矢量控制解耦算法如下：

1） 在系統中讀入發電機轉速數據，并通過下式計算出有功功率參考，無功功率參考為0。

2） 在系統中讀入電壓、發電機定子電流等數值，經過a-b-c到d-q坐標變換后經下式進行計算，得出功率反饋值，并與參考值進行比較，輸出定子電流參考。

3） 由磁鏈觀測器和定子電流參考值輸出定子磁鏈幅值，并由下式計算出轉子電流參考值。

4） 在系統中讀入轉子電流值，經過a-b-c到d-q坐標變換后與參考值比較，并由電流調節器輸出電壓解耦分量，電壓解耦分量加上電壓補償分量得出轉子電壓參考值，最后得到轉子側變頻器的驅動信號，來完成電壓定向適量的解耦控制。

3 最大風能追蹤仿真分析

利用SIMULINK計算機仿真軟件為雙饋型風力發電機的大型變速恒頻風力發電系統建立動態數學模型，包括風力機、傳動機構、發電機和控制器4個部分。將上述4個部分進行封裝，再加上電網模型，即構成變速恒頻風電系統仿真模型（如圖4所示）。

發電機轉速曲線如圖5所示。發電機的同步轉速點對應為換向點，可以看出，當雙饋型發電機的轉速由大于同步轉速轉變為小于同步轉速時，轉子側電流進行了換向。仿真結果與理論分析完全一致。

4 結語

對雙饋型變速恒頻風力發電的最大風能跟蹤技術進行研究。介紹雙饋型風力發電系統的整體構成，闡述基于雙饋型變速恒頻風力發電的最大風能追蹤控制策略及算法，并通過Simulink仿真進行驗證。結果表明，仿真結果與理論分析一致，具有可行性。

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