基于直接功率控制的風力發電系統研究

楊其恒

摘要：模型預測直接控制方式能夠有效提高風力發電系統的運行效率，使其較為迅速的作出動態響應。為保證運行的穩定性，同時滿足低諧波輸出性能的相關需求，需保證采樣頻率的高效性。若電網長期處于不平衡狀態下，系統內部電流將受到影響，使其發生畸變。為了使上述問題皆能得到有效解決，本文提出模型預測直接功率改進的相關方法，此方法不但能夠在電網平衡條件下得到穩定運行，在電網不平衡條件下此方法也能較為有效的實現高效運作。

關鍵詞：風力發電系統;直接功率控制;電網不平衡

隨著我國各項工業的不斷完善，環境污染問題也日漸嚴重，此背景下，可再生能源呈持續穩定發展趨勢，在可在生能源中，無污染的能源即為風能，其能夠使我國生態環境得到有效改善，因此風能也開始逐漸受到人們的廣泛關注。大容量齒輪箱即為風力發電系統中較為關鍵的組成部分，但其運行總效率相對較低，此現象一定程度上降低了風力發電系統運行效率，使其發展受到影響。經不斷改進，直驅式風力發電系統出現，此系統作為現代較為新型系統，不但能夠實現直流電流和交流電流的轉換，還使發電機能夠同步于風輪機的直接驅動永磁，實現并網效率的提高。

1.風力發電系統的研究現狀

風力機的槳葉旋轉主要由自然風所帶動，自然風幫助風力機實現了能量轉換。自然風本身存在一定弊端，其風具備任意性及波動性等特質，較大程度上限制了風力機輸出期間的機械功率。機械功率的整體控制主要在電能產生的過程中，呈現于人們的視野。風力機能夠根據控制方法的不同進行具體劃分，分別為變槳距、主動失速及定槳距控制型。

1.1變槳距控制型

變槳距控制型主要指風力機的槳葉通過其內部結構實現與輪轂的連接。在連接期間，若風速產生變化，槳距角能夠根據變化的具體情況作出改變。由此可看出，槳距角在風力發電系統中起到較為關鍵的作用，其能夠保證風力機的運行穩定，實現系統輸出功率上的有效提高。風速本身即存在不穩定性，若風力在系統運行期間所產生的變化幅度相對較大，那么變槳距也可對風力實現實時控制，使風速得到較大程度削弱，進而降低風速對塔筒等部件所造成的影響，從而使系統的整體運行壽命得到延長。由以上分析可看出，實現功率曲線平穩、有效控制變槳距槳葉、降低整機重量等方法，能夠較大程度上提高風力發電系統的核心競爭力，使其在市場競爭中占據一定位置。但變槳距控制型存在一定弊端，其要求相關人員必須精準控制系統結構與槳葉的銜接，若此期間槳距角產生任何程度的變化，都將引發系統出現事故，從而提高系統的整體維護效率。

1.2主動失速控制型

主動失速控制型主要指風力機的槳葉在設計期間依然采用較為特殊的技術基礎上，對風力機結構的氣動特性進行充分利用，并且輪轂與槳葉依然能夠處于連接狀態。與此同時，相關人員在此期間應及時對槳距角形成有效調節。如此，不但能夠使主動失速控制降低整機重量，還能夠實現輸出功率上的提高，進而從根本上降低機構整體的控制難度，使輸出功率得到平穩。風力發電系統的運行環境存在多變性，多處于高風速、低風速以及剎車制動等環境下，此環境期間，風力機能夠實現對機構的有效控制，實現功率輸出效率的提高，從整體上降低功率損耗現象，進而保證系統控制的整體平穩性。近幾年，在風力發電系統的運行過程中，主動失速控制風力機得到較為廣泛的應用。

1.3定槳距控制型

定槳距控制型顧名思義，主要指風力機運轉期間的輪轂與槳葉進行連接，同時運行期間并未與控制系統及銜接機構進行連接，此期間風力機的槳距角不會因為風速所產生的而變化而受到限制。槳葉的長度及形狀對輸出功率能夠造成較大影響，換句話說，若想實現對輸出功率的有效控制，必須及時對槳葉的長度及形狀進行合理設置，槳葉長度越大，功率則越大。在風力呈上升趨勢時，槳葉邊緣的空氣將產生較大變化，此區域的空氣能夠與槳葉出現渦流效應，此效應也可被成為氣動特性。而控制定槳距，即通過渦流效應實現對機械功率的有效控制，避免其出現功率升高的現象。由此可看出，此類控制能夠將系統的復雜性得到較大程度減小，進而實現安全指數上的提高。但此類控制存在一定弊端，槳葉在此期間將出現邊長的現象，此現象將導致風力整體的抑制能力受到下降，進而導致槳葉出現變形、損壞等情況。由此可見，大功率機組的應用與設計較易受到定槳距的制約。

2.直接功率控制的風力發電系統

直接功率控制主要起始于直接轉矩控制。電動機的直接轉矩控制與直接功率控制存在較為直接的關系，其性質存在一致性，二者之間本質的區別即為被控量的差異性。直接轉矩控制的被控量即為控制磁鏈及轉矩，而直接功率控制與其存在較大不同，其被控量即為雙核感應電機內部的定子功率，直接功率控制能夠對其進行更為直接的控制。由此可見，相比較直接轉矩控制，直接功率控制具備徹底性及直接性，能夠較大程度上提高控制功率的有效性，直接功率控制在風電并網的過程中起到較為關鍵的作用。但直接功率控制依然存在部分問題，如功率脈動大及開關頻率的變化等，若此類問題無法得到解決，將較大程度上影響風力發電系統的整體運行效率。因此，改進型的直接功率控制被相繼提出，直接功率控制經改進后能夠將傳統直接功率控制與矢量控制進行有效結合，充分將傳統的直接功率控制與矢量控制的優勢進行結合，實現變頻器開關頻率及功率上的減少，從而有效控制恒定開關頻率，保證風力發電系統的穩定運行。

針對改進型直接功率控制，主要在直接功率控制的過程中，對空間調制技術進行有效應用，同時，通過改進轉子磁鏈及電磁及電流轉矩的方式，實現對直接空濾控制的改進。據可靠數據表明此種方式能夠較大程度上縮短轉子電流振蕩周期，從根本上使發電品質得到提高。同時，我國相關人員針對直接功率控制的改進也有了不同的研究，即在定子電壓定向坐標系下，通過對功率的具體研究及設置，使功率能夠在最小采樣周期環境下，使其與參考值相符合，通過系統相關的控制理論，在風力發現系統中，將控制電壓的矢量進行選擇，如此能夠使計算方法所存在的滯后性得到有效消除。據可靠數據表明，此方法能夠較大程度上實現系統相應速度上的增強，從而使系統整體的開關頻率得到完善。

結語

綜上所述，現代風電裝機類型中，應用較為廣泛的即為發電機的風力發電系統，因此，針對風力發電系統的具體控制方法進行完善，實現風發電品質及發電效率上的提高，能夠較大程度上促進風力發電系統的穩定運行。近幾年，直接功率控制較為廣泛的被應用于我國風力發電系統中，但其在運行過程中依存存在部分問題，本文即針對其控制改進措施進行分析，通過改進實現傳統直接功率控制及直接轉矩控制的有效結合，從根本上實現風力發電系統運行效率及穩定性的提高，實現風力發電系統的持續發展。

參考文獻

[1]呂俊霞，焦欣欣.基于直接功率控制的風力發電系統研究[J].電氣傳動，2018，48（11）：58-62.

[2]周波，宋亦鵬，年珩，程晨聞.負序及諧波畸變電網電壓下雙饋風力發電系統的改進直接功率控制策略[J].電工技術學報，2017，32（24）：233-243.

[3]賀銳智，劉波峰，黃守道，黃自翔.雙饋風力發電系統機側模型預測直接功率控制[J].電力電子技術，2016，50（03）：31-34.

[4]鄧文浪，余帥，郭有貴，劉和，黃斯瑤.TSMC直驅風力發電系統預測直接功率控制[J].電氣傳動，2015，45（09）：47-51.