王彬彬

（中閩（福清）風電有限公司，福建 福州 350000）

風力發(fā)電作為可再生能源的一種，近年來發(fā)展規(guī)模不斷擴大，且風力發(fā)電的相關(guān)技術(shù)水平也得到了全面的進步。雙饋異步風力發(fā)電機作為風力發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，其性能和控制技術(shù)對整個發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。變頻器作為調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出頻率的關(guān)鍵設備，變頻器的工作原理在雙饋異步風力發(fā)電機中的應用場景極為豐富，在提高雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)響應速度和降低能量損失方面具有關(guān)鍵性的作用。文章以雙饋異步風力發(fā)電機為研究對象，深入剖析其基本原理，分析在雙饋異步風力發(fā)電機構(gòu)成的系統(tǒng)中，變頻器運行控制技術(shù)的應用方法，以及具體的算法優(yōu)化策略，通過對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)深入研究，為風力發(fā)電行業(yè)的技術(shù)進步提供有益的理論支持，為未來的風力發(fā)電系統(tǒng)設計和優(yōu)化提供有力參考。

1 雙饋異步風力發(fā)電機的特點

雙饋異步風力發(fā)電機具有高效能轉(zhuǎn)換、穩(wěn)定性強、適應性廣泛的應用優(yōu)勢，且由于雙饋異步風力發(fā)電機獨特的結(jié)構(gòu)和工作原理在風力發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應用。相比于其他類型的發(fā)電機而言，雙饋異步風力發(fā)電機采用了雙饋結(jié)構(gòu)，即在轉(zhuǎn)子和定子回路上均設置了可調(diào)諧的功率電子變流器，雙饋結(jié)構(gòu)使得發(fā)電機在變化的風速條件下能夠更為靈活地調(diào)整輸出功率，提高了能量轉(zhuǎn)換的效率。在實際應用過程中，雙饋異步風力發(fā)電機能夠更好地適應風力資源的波動，實現(xiàn)更高水平的發(fā)電效益。

一方面，由于雙饋異步風力發(fā)電機具有雙重饋電回路，使得系統(tǒng)對外界擾動有較強的抗干擾能力，使得發(fā)電機在面對風力波動、電網(wǎng)波動等外部影響時，能夠更為平穩(wěn)地輸出電能，提高了風電系統(tǒng)的整體可靠性，實際應用過程中對于電網(wǎng)接入和穩(wěn)定供電至關(guān)重要，尤其是在大規(guī)模風電并網(wǎng)的情境下，能夠有效降低系統(tǒng)的運行風險。另一方面，雙饋異步風力發(fā)電機可調(diào)節(jié)的功率電子變流器使得系統(tǒng)能夠更好地適應不同運行條件，不僅能夠在不同風速下實現(xiàn)最佳功率輸出，還能夠在電網(wǎng)電壓或頻率波動時靈活調(diào)整發(fā)電機的運行狀態(tài)，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其本身具有的靈活性使得雙饋異步風力發(fā)電機適用于各種地理環(huán)境和電網(wǎng)接入條件，為風力發(fā)電技術(shù)的推廣應用提供了更多可能性。

2 雙饋異步風力發(fā)電機變頻器的功能

雙饋異步風力發(fā)電機變頻器是風力發(fā)電系統(tǒng)中的核心組成部分，也是雙饋異步風力發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)的必要保障，雙饋異步風力發(fā)電機變頻器可以調(diào)整和控制發(fā)電機輸出功率，從而起到多功能的調(diào)節(jié)控制效應，確保雙饋異步風力發(fā)電機能夠更好地服務生產(chǎn)實際。

首先，雙饋異步風力發(fā)電機在應用過程中，隨著風速的變化，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也需要相應調(diào)整以確保在不同風速條件下能夠獲得最佳功率輸出，而變頻器通過調(diào)整電機的頻率，使得發(fā)電機能夠以不同的轉(zhuǎn)速運行，從而適應不同的風能輸入。其次，雙饋異步風力發(fā)電機在工作階段，為了將發(fā)電機產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成適應電網(wǎng)要求的電能，變頻器將發(fā)電機輸出的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)標準的交流電，通過變頻器可以確保風力發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)@得的風能有效地注入電網(wǎng)。此外，雙饋異步風力發(fā)電機變頻器通過控制電流，變頻器能夠調(diào)整發(fā)電機的輸出功率，以適應電網(wǎng)的需求，并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在很大程度上可以確保發(fā)電機在各種工作條件下能夠穩(wěn)定運行。最后，在電網(wǎng)接入時，變頻器還負責對發(fā)電機輸出的電壓進行控制，通過調(diào)整電壓水平，使得發(fā)電機的輸出電能能夠平穩(wěn)地注入電網(wǎng)中。除此之外，雙饋異步風力發(fā)電機作為電氣設備，在雙饋異步風力發(fā)電機構(gòu)成的系統(tǒng)中，故障監(jiān)測技術(shù)的應用尤為重要，變頻器具備故障保護功能，實際應用能夠監(jiān)測發(fā)電機和電網(wǎng)的運行狀態(tài)，當變頻機在工作中檢測到雙饋異步風力發(fā)電機的異常情況，可以及時采取保護措施，防止系統(tǒng)受損。

3 雙饋異步風力發(fā)電機變頻器運行控制技術(shù)

3.1 變頻調(diào)節(jié)

雙饋異步風力發(fā)電機運行過程中，為了最大化捕獲風能，提高整個風力發(fā)電系統(tǒng)的效率而采用的關(guān)鍵控制手段。通過變頻器的運行控制技術(shù)，可以控制發(fā)電機的輸出頻率來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)整，從而使得發(fā)電機能夠在不同風速條件下高效運行。

首先，采用變頻調(diào)節(jié)的雙饋異步風力發(fā)電機能夠更加靈活地調(diào)整輸出頻率，從而在不同風速下獲得更高的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)更大的功率輸出。具體而言，隨著風速的波動，傳統(tǒng)的固定速度發(fā)電機可能無法適應這種變化，變頻調(diào)節(jié)的核心目標是在不同風速情況下調(diào)整發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使其運行在最佳工作點。其次，變頻調(diào)節(jié)過程中的頻率控制階段，變頻器可以調(diào)整輸入電源的頻率，從而改變發(fā)電機的輸出頻率。在風速較低時，通過增加頻率，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以提高，以適應更高的風能輸入。相反，在風速較高時，通過降低頻率，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速可以降低，以避免過載運行。此外，在電網(wǎng)并網(wǎng)時，一般會要求發(fā)電機的輸出頻率與電網(wǎng)頻率保持同步。變頻調(diào)節(jié)技術(shù)可以通過實時調(diào)整發(fā)電機的輸出頻率，確保與電網(wǎng)同步運行，從而實現(xiàn)平穩(wěn)的電能注入電網(wǎng)，維護電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

3.2 MPTT 控制

MPTT 控制的主要目標是實現(xiàn)在不同風速條件下，追蹤并維持發(fā)電機的最大功率點，從而最大程度提高風力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，該技術(shù)通過精確調(diào)整發(fā)電機的工作狀態(tài)，使其在各種風速變化中都能夠以最優(yōu)的方式將風能轉(zhuǎn)化為電能。

具體而言，在風力發(fā)電系統(tǒng)中，實時監(jiān)測和反饋機制尤為重要，而雙饋異步風力發(fā)電機變頻器能夠使得風力發(fā)電系統(tǒng)能夠適應瞬時的風速變化，最大化地捕捉可用的風能。MPTT 控制通過實時監(jiān)測這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，采用先進的算法和傳感器來監(jiān)測風速、轉(zhuǎn)速和輸出功率等參數(shù)，確?？刂葡到y(tǒng)能夠精確地計算當前工作點的最大功率點。一方面，在風速較低時，系統(tǒng)可以通過調(diào)整葉片角度來提高轉(zhuǎn)速，以達到更高的功率輸出。而在風速較高時，系統(tǒng)可以通過適時調(diào)整變頻器參數(shù)，降低轉(zhuǎn)速，以避免過載運行。MPTT 控制通過調(diào)整雙饋異步風力發(fā)電機的葉片角度和變頻器參數(shù)等來實現(xiàn)對最大功率點的追蹤，動態(tài)調(diào)整的過程需要高度靈活的MPTT 控制策略，確保系統(tǒng)在不同工況下都能夠達到最佳運行狀態(tài)。另一方面，MPTT 技術(shù)的核心應用在于維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性，并盡可能提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。MPTT 控制技術(shù)通過調(diào)整發(fā)電機的輸出功率，使其與電網(wǎng)的要求相匹配，確保平穩(wěn)地將電能注入電網(wǎng)，在實現(xiàn)發(fā)電機與電網(wǎng)的有效匹配方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

3.3 風機側(cè)電壓控制

風機側(cè)電壓控制是在電機轉(zhuǎn)子側(cè)進行的一項控制策略，其關(guān)鍵目標是保證發(fā)電機輸出的電壓符合電網(wǎng)的標準，防止對電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響。在雙饋異步風力發(fā)電機變頻器運行控制中，風機側(cè)電壓控制技術(shù)通過對風機側(cè)電壓進行調(diào)控，可以最大程度上確保風力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)并網(wǎng)時能夠提供穩(wěn)定的電壓輸出，維護電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

首先，在電網(wǎng)并網(wǎng)時，電壓的穩(wěn)定性對于維持電網(wǎng)的正常運行至關(guān)重要，通過實時監(jiān)測電壓，并根據(jù)電網(wǎng)的要求進行調(diào)整，風機側(cè)電壓控制技術(shù)確保發(fā)電機提供的電壓始終在可接受的范圍內(nèi)，避免因電壓波動引起的電網(wǎng)不穩(wěn)定問題。而風機側(cè)電壓控制技術(shù)采用先進的電氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，監(jiān)測和調(diào)整風機輸出的電壓水平。其次，風機側(cè)電壓控制還通過對發(fā)電機的電磁特性進行調(diào)整，這種調(diào)整是通過變頻器對電機輸出進行精確控制實現(xiàn)的，確保發(fā)電機能夠適應電網(wǎng)的工作頻率，并提供與電網(wǎng)同步的電壓輸出，使得輸出電壓符合電網(wǎng)頻率和電壓的要求，對于保證電力系統(tǒng)中的各個組件協(xié)調(diào)運行，防止電網(wǎng)波動，具有重要意義。除此之外，風機側(cè)電壓控制技術(shù)還在電壓下降或電壓過高的情況下進行及時響應和調(diào)整，通過監(jiān)測電網(wǎng)電壓的變化，系統(tǒng)能夠迅速調(diào)整發(fā)電機的電壓輸出，確保系統(tǒng)在電網(wǎng)并網(wǎng)的過程中不會對電網(wǎng)造成過大的電壓波動，維持電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行。

4 雙饋異步風力發(fā)電機變頻器運行控制算法

4.1 PI 控制算法

在雙饋異步風力發(fā)電機中，PI 控制算法被廣泛應用于電流和電壓的調(diào)節(jié)，以確保系統(tǒng)在不同工況下的穩(wěn)定運行。PI 控制屬于經(jīng)典的反饋控制算法，通過對系統(tǒng)的誤差進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對輸出精確控制。

Pl 控制通過比例項（P）和積分項（I）來調(diào)整系統(tǒng)的輸出，以最終消除誤差并保持系統(tǒng)穩(wěn)定。

系統(tǒng)輸出（控制量）：控制量（u(）由比例項和積分項的和組成，即：

其中：

u(t)是控制量（輸出）。

e(t)是誤差信號，表示期望值與實際值之間的差異，e(t)=r(t)-y(t)。

Kp是比例增益，控制比例項的權(quán)重。

Ki是積分增益，控制積分項的權(quán)重。

誤差積分項：

積分項用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，其表達式為：

該項的積分操作對誤差信號進行累積，以確保系統(tǒng)能夠逐漸消除任何持續(xù)的偏差。

控制器輸出：

控制器的最終輸出是比例項和積分項的和，即：

一方面，在雙饋異步風力發(fā)電機中電流的穩(wěn)定性對于保障系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要，而PI 控制算法通過測量實際電流與期望電流之間的誤差，并根據(jù)誤差的大小和變化率來調(diào)整控制信號，使實際電流迅速趨向期望值，從而維持系統(tǒng)的電流穩(wěn)定性。另一方面，在風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時，PI 控制算法通過監(jiān)測電壓誤差，并通過比例項和積分項的結(jié)合來調(diào)整變頻器的輸出，以使輸出電壓維持在電網(wǎng)要求的合理范圍內(nèi)。除此之外，PI 控制能夠處理系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)誤差，使得PI控制算法在應對風力發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)變化時表現(xiàn)出色，有效提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應性，并通過積分操作來逐漸消除這些誤差。

4.2 模型預測控制算法

在雙饋異步風力發(fā)電機中，MPC 算法以其靈活性和高度精確的控制特性，為系統(tǒng)提供了有效的運行保障。具體而言，模型預測控制（MPC）算法是一種先進的控制策略，其核心思想是通過建立系統(tǒng)動態(tài)模型，預測未來一段時間內(nèi)的系統(tǒng)行為，并在每個時間步上進行優(yōu)化控制。

MPC 算法通過建立雙饋異步風力發(fā)電機的動態(tài)數(shù)學模型，考慮系統(tǒng)的非線性特性和各種約束條件，包括電機的物理約束、電流和電壓的限制等，模型將系統(tǒng)的輸入（控制信號）與輸出（狀態(tài)變量）關(guān)聯(lián)起來，形成了一個多變量優(yōu)化問題。首先，MPC 算法通過考慮系統(tǒng)的時間動態(tài)性，能夠提前對風力發(fā)電機的運行狀態(tài)進行準確估計，從而具備更好的預測性能，精準的預測性能使得MPC 能夠在系統(tǒng)出現(xiàn)擾動或變化時更靈活地作出響應，確保系統(tǒng)能夠迅速適應新的工作條件。其次，MPC 算法在每個時間步上進行系統(tǒng)狀態(tài)的優(yōu)化控制，以使系統(tǒng)的性能指標達到最優(yōu)，從而調(diào)整雙饋異步風力發(fā)電機的電流、電壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，最大程度提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率、維持電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定性。最后，根據(jù)反饋的控制結(jié)果輸出對應的參數(shù)，綜合考慮系統(tǒng)的非線性特性和各種約束條件，為雙饋異步風力發(fā)電機變頻器系統(tǒng)的運行提供了高效控制。

5 結(jié)語

綜上所述，雙饋異步風力發(fā)電機變頻器運行控制階段，通過變頻器的變頻調(diào)節(jié)、最大功率點追蹤（MPTT）控制，以及風機側(cè)電壓的控制，實現(xiàn)了風力發(fā)電機工作效率的全面提升，雙饋異步風力發(fā)電機變頻器控制技術(shù)在具體應用過程中通過PI 控制算法，以及模型預測控制（MPC）的算法整合，實現(xiàn)了對風力發(fā)電機在不同風速和電網(wǎng)條件下的高效、穩(wěn)定運行，其中，PI 控制算法通過比例和積分項的調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)在瞬時和穩(wěn)態(tài)下的優(yōu)越性能，MPC 算法則通過建模、預測和優(yōu)化，實現(xiàn)對系統(tǒng)的精準控制?？偠灾p饋異步風力發(fā)電機在復雜多變的環(huán)境中展現(xiàn)出卓越的適應性和可靠性，雙饋異步風力發(fā)電機變頻器運行控制技術(shù)對風力發(fā)電系統(tǒng)更高性能和更可靠運行的需求，同時也服務于推動清潔能源技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)可持續(xù)能源做出貢獻。