鮑潔秋韓剛張翼段志強(qiáng)

摘要：當(dāng)前，變速恒頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制中得到廣泛應(yīng)用。闡述變速恒頻控制技術(shù)及其運(yùn)行原理，針對兆瓦級變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，提出可靠的控制策略，以實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行變速恒頻控制的目的。

關(guān)鍵詞：變速恒頻 風(fēng)力發(fā)電 控制 功率曲線

中圖分類號：TM614文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-1161（2015）02-0037-03

目前，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率和無功功率均可調(diào)節(jié)，但其不易滿足恒速恒頻的控制要求。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制得以促進(jìn)，變速恒頻技術(shù)取得一定進(jìn)步，并在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到推廣應(yīng)用。

1變速恒頻控制及運(yùn)行原理

通過分析貝茲理論，得到變速恒頻的控制原理，即：控制風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速按某個函數(shù)關(guān)系隨風(fēng)速而變化。在此基礎(chǔ)上采用某種控制方式，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠輸出恒定頻率的交流電。風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率Pm在發(fā)電過程中將轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)輸出的電功率PS、系統(tǒng)動能變化△Pk及系統(tǒng)損耗APs，即：

風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率曲線關(guān)系如圖1所示，圖中Popt。曲線是在各風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)最大輸出功率點的連線，電就是最佳功率曲線。

由圖1可以看出：在最佳功率曲線上，風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)輸出功率是對應(yīng)的：在同一風(fēng)速下，轉(zhuǎn)速不同，風(fēng)力機(jī)輸出的功率也將不同。如果能夠追蹤Popt曲線，保持葉尖速比為最佳，便可最大限度地捕獲風(fēng)能。因此，在風(fēng)速變化時需要及時準(zhǔn)確地控制風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速n，這即是變速恒頻控制技術(shù)的主要思想，

2兆瓦級風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略

2.1兆瓦級風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變槳距風(fēng)輪，發(fā)電系統(tǒng)采用AC-DC-DC-AC的變頻方式，其中整流部分不可控，所有的控制過程是利用MOSFET和可控逆變器在DC-DC變換過程完成的，因此，輸出恒壓恒頻的任務(wù)通過逆變器來實現(xiàn)。如果風(fēng)速低于額定風(fēng)速，需要控制逆變器來實現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

發(fā)電機(jī)輸出的交流電經(jīng)過不可控整流器件傳輸?shù)匠跫壷绷髂妇€，直流母線電壓Udc和發(fā)電機(jī)輸出電壓成正比。由于發(fā)電機(jī)輸出電壓隨風(fēng)速變化，所以初級直流母線電壓存在較大波動，故需經(jīng)過濾波后才能作為DC-DC變換的輸入，在可控DC-DC模塊巾升壓后輸出到二級直流母線。二級直流母線的電壓幅值趨于穩(wěn)定，再經(jīng)過可控逆變器控制電壓和輸出功率

在電壓變換過程中，DC-DC模塊用于穩(wěn)定直流母線電壓，逆變器是整個系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。逆變器在并網(wǎng)前要保證系統(tǒng)輸出參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)完全一致，在保證輸出頻率一定時，逆變器負(fù)責(zé)調(diào)相和調(diào)壓：發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后，電網(wǎng)鎖定發(fā)電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場，逆變器的輸出電壓將跟隨電網(wǎng)電壓進(jìn)行工頻旋轉(zhuǎn)，此時系統(tǒng)的控制目標(biāo)為獲取最大風(fēng)能，并保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)可調(diào)。

2.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出模式

風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以下時，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率輸出模式，此時系統(tǒng)以獲得最大風(fēng)能為控制目標(biāo)。對應(yīng)于任一轉(zhuǎn)速n，風(fēng)力機(jī)有最大功率輸出Pmax=kn3，其中包含系統(tǒng)傳輸過程中的損耗AP，則發(fā)電系統(tǒng)饋人電網(wǎng)的有功功率P=Pmax-？P。因此，需要控制逆變器饋入電網(wǎng)的電流頻率、幅值和相位，使饋人電網(wǎng)的有功功率能夠跟蹤指令P，實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，并且保持最優(yōu)葉尖速比，獲得最大風(fēng)能。同時，通過控制逆變器輸送到電網(wǎng)的無功功率，能夠改善系統(tǒng)功率因數(shù)。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接等效成純感性電抗，系統(tǒng)的能量傳輸如圖3所示，發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)電壓之間的向量關(guān)系如圖4所示。圖中：X。為發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的感抗；P1，Qt為逆變器輸出的有功功率和無功功率；Pns，Qa為輸送到電網(wǎng)的有功功率和無功功率：vI，Vs為發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓和電網(wǎng)電壓。

由公式（3）可知，通過控制逆變器輸出電流可以調(diào)節(jié)逆變器輸出有功功率和無功功率，其方法為：通過控制逆變器輸出電流的頻率、幅值和相位，使逆變器輸出的有功功率和無功功率跟蹤P1和Qs，這樣可獲得最大功率并實現(xiàn)功率因數(shù)可調(diào)。利用閉環(huán)控制，能夠控制逆變器的電流輸出跟蹤給定的參考電流，電流控制電壓源逆變器的控制信號流程如圖5所示。

2.3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定功率輸出模式

風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以上時，風(fēng)力機(jī)的變槳距系統(tǒng)開始運(yùn)行，通過改變?nèi)~片的對風(fēng)攻角來減小風(fēng)力機(jī)的葉片受力，控制風(fēng)力機(jī)獲取風(fēng)能維持在額定功率，并向發(fā)電機(jī)傳送恒定的功率。通過控制逆變器的輸m功率維持在額定功率，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)獲得穩(wěn)定的機(jī)械能量，保證系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速不變。根據(jù)分析，系統(tǒng)的額定電流為IN，額定電壓為UN，只要控制逆變器輸出電流能夠保持在IN或輸出電壓能夠保持在UN，即可實現(xiàn)系統(tǒng)輸出額定功率。

3結(jié)語

本文針對兆瓦級變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制問題進(jìn)行理論分析與研究。從空氣動力學(xué)的基礎(chǔ)理論人手，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時的最大風(fēng)能追蹤原理，通過構(gòu)建風(fēng)機(jī)受力模型，推導(dǎo)出理論風(fēng)能利用系數(shù)；分析變速恒頻運(yùn)行方式，提出可靠的變速恒頻控制策略，在不同風(fēng)速下對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系進(jìn)行比較，得出最佳功率曲線，控制風(fēng)機(jī)沿著最佳功率曲線運(yùn)行，從而獲得最大輸出功率，以實現(xiàn)變速恒頻的控制目的。

參考文獻(xiàn)

[1]張希良.風(fēng)能開發(fā)利用[M].北京：化學(xué)]二業(yè)出版社，2005.

[2]凌禹，張同莊，變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)綜述[J].電力自動化設(shè)備，2008，28（3）：122-125.

[3]杜志偉，趙峰，田銘興，等變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的最大功率捕獲控制研究[J].電氣傳動.2007，37（3）：7-10

ResearchontheControlofWindPowerGenerationSystemofMWVariableSpeedConstantFrequency

BAOJieqiul，HANGangl，ZHANGYj2，DUANZhiqiangr

Abstract：Atpresent，thetechnologyofvariablespeedconstantfrequencyiswidelyusedinthecontrolofwindpowergenerationsystem.Thearticleexpoundsthecontroltechnologyofvariablespeedconstantfrequencyanditsoperatingprinciple，suggestsreliablecoritroltacticsforwindpowergenerationsystemofMWvariablespeedconstantfrequency，inordertorealizethecontrolofvariablespeedconstantfrequencytowindpowergenerationsystem.

Keywords：variablespeedc，onstantfrequency；windpowergeneration；control；powercurve