变速风力发电系统统一功率控制策略研究

变速风力发电系统统一功率控制策略研究

隋世强

辽宁龙源新能源发展有限公司   辽宁省沈阳市   110000

摘要：在经过近十年来的发展，以风能为代表的新能源取得了迅猛发展和长足进步。在风能开发、利用方面，以风力发电为主，控制风电机组安全、稳定运行主要采用变速、变桨技术。该文以变速变桨距风电机组为研究对象，在不添加额外设备情况下，以实现捕获最大风能和平滑功率输出的双重目标。

关键词：变速风力发电系统；统一功率控制；策略

1变速发电的控制

变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现。低风速段。实际风速小于额定风速，按输出功率最大功率要求进行变速控制，主要是调节发电机转矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比，因此可作为跟踪问题来处理。高风速段。主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量，使风力发电机组保持在额定值下发电，并使系统失速负荷最小化。可以将风力发电机组作为一个连续的随机的非线性多变量系统来考虑，采用带输出反馈的线性二次最佳控制技术，根据已知系统的有效模型，设计出满足变速风力发电机组运行要求的控制器。一台变速风力发电机组通常需要两个控制器，一个通过电力电子装置控制发电机转矩，另一个通过伺服系统控制桨叶节距。

2变速发电机及控制方式

为了达到变速控制的要求，变速风力发电机组通常包含变速发电机、整流器、逆变器和变桨距机构。变速发电机目前主要采用双馈异步发电机，也有采用低速同步发电机。在低于风速时，通过整流器及逆变器来控制发电机的电磁转矩，实现对风力机的转速控制;在高于额定风速时，一般采用节距调节的方法将多余的能量除去，这时机组有两个控制环同时工作:内部的发电机转速控制环和外部桨叶节距控制环。

3双馈异步风力发电控制系统

绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限IGBT电压型交—直—交静止变频器接电网。转子电压和频率比例与电机转差率，随着转速变化而变化，变频器把转差频率的转差功率变为恒压、恒频(50Hz)的转差功率，送至电网。转速高于同步速时，转差率S＜0，转差功率流出转子，经变频器送至电网，电网收到的功率为定、转子功率之和，大于定子功率;转速低于同步转速时，S＞0，转差功率从电网，经变频器流入转子，电网收到的功率为定、转子输出功率之差，小于定子功率。

4双馈异步控制系统的运行过程

双馈异步控制系统的运行分为两个阶段:1)同步阶段:在此过程中风机已经开始转动，当其转速大于启动转速后，充电回路先闭合，使变频器直流电容电压升高，当电压大于80%额定值后，转子回路主接触器闭合，并且同时断开充电回路接触器。母线电压不断升高至额定值，这时变频器逆变器开始工作，电机转子中有电流，所以在定子中有电压产生，变频器检测电网电压和电机定子电压，通过调节控制转子的电压电流，使这两个电压同步，并且闭合定子主接触器，系统便完成了同步切入。2)运行阶段:同步切入结束后便进入正常运行阶段，这时通过上述三阶段控制方法使风力发电机输出最大的额定功率。在实际运行中，变频器接收主控制传输过来的两个主要控制信号:功率因数和电机力矩。功率因数信号使变频器输入端的输入功率因数始终为1，电机力矩使风力发电系统始终随着风速变化而输出最大的额定功率。主要的控制方式可以通过矢量控制和直接力矩控制实现上述功能。双馈系统在变频器中仅流过转差功率，其容量小，通常按发电总功率的25%左右选取，投资和损耗小，发电效率高，谐波吸收方便。由于要求双向功率流过变频器，它必须是四象限双PWM变频器，由两套IGBT变换器构成，价格是同容量单象限变频器的一倍，而且只能使用双馈电机，效率较低，而且有滑环和碳刷，维护工作量较大。

5风力发电功率控制的策略

5.1风力发电机变桨距控制

针对风力发电，应在安装风力发电机组结构的基础上设置轮毂、风轮叶片，可涵盖定桨、变桨距风力发电机，在这之中，前者要把叶片安装在轮毂上，保证桨叶在实际的工作过程中不会发生角度改变现象；后者则应解决风速变化问题，在实际工作中具备桨叶自功率自动化调节功能和制动风力发电机的功能。具体表现为：一是在轮毂和叶片之间，通过非刚性联结，在实际工作中利用节距对叶片进行合理的调整，并根据风速科学调整轮毂、叶片的角度。在运行过程中，不管风速的变化如何，轮毂、叶片都会保持一个最佳角度，以便在风力发电环节提高发电功率。二是如果风力过大，大于风力发电机的切出风速，它就会自动停止运作，并且桨叶也会在风力机停工时停止运转，保证不损害风力机，延长风力机使用寿命。

5.2风力发电机偏航控制

风力机偏航控制是风力发电机组控制系统的重要组成部分。在工作中，利用偏航控制系统可以促进其和风力发电机组之间的协调，保证风轮一直保持迎风状态，全面提高风力发电机组的整体性发电效率，同时保证机组的安全运行。针对风力发电机的偏航系统，主要涵盖两个方面，分别是主动迎风、被动迎风。对于偏航控制系统的运行，其风力出现变化的时候，就需要对风力发电机进行合理的调整，让它一直处在风向的正前方，这样一来就能最大限度捕获风能，显著提高风力发电机的输出功率，提高发电效率。

5.3风力发电机控制

在风力发电技术功率控制中，利用风力发电机实现功率输出的控制。风力发电机一般会考虑到双馈异步风力发电机的使用。使用双馈异步风力发电机，主要是按照风速的变化来做出适当的调整，从而确保其运行能够处于最佳的状态下，进而对提高风能利用率给予适当的帮助。同时，在实际的运作环节，需要有效控制馈入电流的参数，以保持电压不变化、定子输出频率不变化为前提，科学合理地调节电网功率因数，以便更好地满足风力发电系统稳定运行的要求。

4对于风力发电事业的展望

随着风力发电产业整体水平的持续提升，也取得了令人满意的效果。但是因为其起步相对较晚，相比起于发达国家，风力发电技术还存在较大的进步空间。技术滞后、体制不够健全、成本控制不当等诸多问题都对风力发电事业的发展带来的影响。就目前的发展来看，电力定价体系会影响到投资者的收益回报；电力定价过高，会增加电力保护企业本身的压力，这样会影响其长远发展。所以，实现电力定价制度以及对应配套措施的完善，这样才能够对电力发电产业提供发展契机，在风力发电得以满足的基础上，尽可能缓解电力压力。随着国民经济的持续发展，随着用户用电量需求的不断提升，在这一种背景下，新能源所能够发挥的意义是非常巨大的。风力发电等环保型的能源受到社会各界的广泛关注。因此，在今后的研究中，还需要注重对于环保型能力的分析，能够通过环保发电事业的展望，满足新能源时代的所需。

结束语

总而言之，大力开发并广泛利用风能，促进风力发电技术实现可持续发展，从而大幅度节省发电成本，不断提高发电功率，从陆地风力发电逐渐朝着海上风力发电发展。这样就为实现规模化的风力发电，创新发电技术，实现风力发电的高效性，同时在功率控制中，还需要结合实际情况，实现其内部机构的不断优化，这样才能够满足风力发电电量的高效性和稳定性需求，为风力发电事业的发展和进步提供可靠保障。

参考文献：

［１］王松岩，朱凌志，陈宁，等．基于飞分层原则的风电场无功控制策略［Ｊ］．电力系统自动化，２００９，３３（１３）：８３－８８．

［２］陈宁，朱凌志，土伟．改善接入地区电压稳定性的风电场无功控制策略［Ｊ］．中国电机工程学报，２００９，２９（１０）：１０２－１０８．