張鳳 張曉紅 盧業(yè)蕙

摘 要：該文分析了變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行區(qū)域，并針對(duì)高低風(fēng)速區(qū)采取不同的控制策略，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)速區(qū)最大風(fēng)能追蹤和高風(fēng)速區(qū)的額定功率保持。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 變速恒頻 控制策略

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（b）-00-01

在當(dāng)今新能源技術(shù)開(kāi)發(fā)中，風(fēng)電成為最成熟、最具開(kāi)發(fā)利用的發(fā)電技術(shù)。風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)電系統(tǒng)的重要裝置，直接影響輸出電能的質(zhì)量和效率，因此選取合適的控制策略是保證系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 變速恒頻雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

變速恒頻雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)通過(guò)齒輪箱與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，發(fā)電機(jī)定子直接連接到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過(guò)變頻器并網(wǎng)。“雙饋”是指發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子同時(shí)向電網(wǎng)饋電。

根據(jù)不同的風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有五個(gè)運(yùn)行區(qū)域，如圖1所示，每個(gè)運(yùn)行區(qū)域機(jī)組的輸出功率不同。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域

其中，A為并網(wǎng)區(qū)；B為最大風(fēng)能追蹤（MPPT）區(qū)域；C為過(guò)渡區(qū)；D為功率限制區(qū)。E為切出停機(jī)區(qū)。

由于風(fēng)速的不斷變化，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在不同的運(yùn)行區(qū)域。通常將發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行策略確定為：低風(fēng)速區(qū)域，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤或使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速最大。高風(fēng)速區(qū)域，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組保持額定功率輸出。

2 低風(fēng)速區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略

（1）矢量控制雙饋發(fā)電機(jī)組矢量控制的目標(biāo)是對(duì)發(fā)電機(jī)中復(fù)雜變量間的關(guān)系解耦，使實(shí)現(xiàn)控制變得簡(jiǎn)單?；陔p饋發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型利用基于定子磁鏈定向的矢量控制實(shí)現(xiàn)有功功率P和無(wú)功功率Q的解耦控制，再分別對(duì)其施行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的變速恒頻運(yùn)行和最大風(fēng)能捕獲[1]。

（2）直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）直接轉(zhuǎn)矩控制是通過(guò)對(duì)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩做滯環(huán)比較，再適當(dāng)選擇逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速的控制。

直接轉(zhuǎn)矩控制的磁鏈軌跡有兩種形式，一種正六邊形，六條邊對(duì)應(yīng)于六個(gè)電壓矢量，通過(guò)切換逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈軌跡的控制[2]；另一種圓形，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差，結(jié)合定子磁鏈的空間位置選擇相應(yīng)的開(kāi)關(guān)矢量。

（3）滑模變結(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)控制是利用其高速開(kāi)關(guān)特性將系統(tǒng)的相軌跡引導(dǎo)到一個(gè)設(shè)計(jì)好的曲面上，使系統(tǒng)的狀態(tài)變量在設(shè)計(jì)好的的曲面上做滑模運(yùn)動(dòng)。雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)以功率相對(duì)誤差作為切平面，實(shí)現(xiàn)誤差跟蹤和風(fēng)能最大捕獲[3]；以力矩為控制信號(hào)，解決滑動(dòng)模切換抖動(dòng)的問(wèn)題。

3 高風(fēng)速區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)額定風(fēng)速后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)入功率限制區(qū)。變槳距控制技術(shù)是指通過(guò)調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)距角，改變氣流對(duì)槳葉的攻角，進(jìn)而控制風(fēng)輪捕獲的轉(zhuǎn)矩或者功率，在高風(fēng)速區(qū)域通過(guò)對(duì)槳葉節(jié)距角的調(diào)整，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出功率保持

恒定。

（1）模糊PID控制。模糊PID控制在雙饋風(fēng)電系統(tǒng)的應(yīng)用是將控制規(guī)則利用模糊集表示成規(guī)則庫(kù)存入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)際響應(yīng)狀況進(jìn)行模糊推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最優(yōu)調(diào)整，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的抗干擾性和魯棒性。給定信號(hào)為發(fā)電機(jī)的限制功率或轉(zhuǎn)速，反饋信號(hào)與給定信號(hào)比較，對(duì)誤差和誤差的變化率進(jìn)行模糊推理，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后發(fā)出槳葉節(jié)距角信號(hào)，控制節(jié)距角增大或減小[4]。

（2）H∞魯棒控制。H∞魯棒控制是指在Hardy空間中通過(guò)一些性能指標(biāo)的無(wú)窮范數(shù)將被控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)镠∞范數(shù)最小化的問(wèn)題。在風(fēng)速和風(fēng)向不斷變化的情況下，利用魯棒控制器設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速控制器使發(fā)電機(jī)在設(shè)定好的風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)在低風(fēng)速區(qū)的最大風(fēng)能追蹤和高風(fēng)速區(qū)的保持額定功率控制[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)不同運(yùn)行區(qū)域的控制目標(biāo)，分析了風(fēng)力機(jī)特性，研究了實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的控制策略，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速，保持最佳葉尖速比，追蹤最佳功率曲線。在高風(fēng)速區(qū)域，對(duì)發(fā)電機(jī)組的變槳距控制技術(shù)進(jìn)行研究，并對(duì)各控制方式進(jìn)行分析總結(jié)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張志，清靈，朱一凡.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能捕獲[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37（4）：18-21.

[2] 邢作霞，鄭瓊林.雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直接轉(zhuǎn)矩控制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（4）：556-559.

[3] 劉遠(yuǎn)濤，楊俊華，謝景鳳，等.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功功率和無(wú)功功率的滑模解耦控制[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37（4）：39-43.

[4] 王江.風(fēng)力發(fā)電變槳距控制技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[5] 張先勇，吳捷，楊金明，等.額定風(fēng)速以上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的恒功率H∞魯棒控制[J].控制理論與應(yīng)用，2008，25（2）：321-324.