变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制

变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制

温艳斌

大唐山西新能源公司  山西太原  030000

摘要：风力发电是一种可再生能源，因此，对它的开发和利用显得尤为重要。由于其实用、高效的特点，变速恒频风电技术在许多方面都具有很大的应用前景，并且伴随着风电技术的持续发展，它已经成为了国内外众多专家学者关注的焦点。安全、低成本、高效的风电技术是风电技术发展的重点，而对其短时有效风速进行精确预测是实现风电系统平稳运行的关键与基础。风电机组在运转过程中，其风场呈现出一种三维时变特性，由于各测点在风轮表面上得到的风速各不相同，因此，利用风速仪对其进行短时的风速预报并不可行。为改善风电机组的调速性能，需对风电机组的短时风速预报进行深入的分析与研究。

关键词：变速恒频；风力发电系统；最大风能追踪控制

1变速恒频风力发电概述

本文介绍了一种新型的变频调速发电机的结构，并对其性能进行了分析。双馈发电机的定子线圈与电网相连，转子线圈为三相交流变频驱动，一般采用交流-交流变换或交流-直-交变换来驱动。双馈发电机可以在各种工况下工作，并且可以根据风速的改变来调节其旋转速度，从而保证风机始终处于最优的工作状态，提高了风力资源的利用效率。当电机负荷或速度改变时，调整馈入转子绕组电流，就可以使定子的输出电压和频率不变，也可以调整发电机的功率因子。

2变速恒频风力发电技术重要性及其优势

2.1变速恒频风力发电技术的重要性

风力发电机是一种以风力为动力的风力发电机。在整个风力发电过程中，发电系统占有相当的比重。通常情况下，当风力发电系统的单位装机容量不断增加时，就可以从一个侧面说明风力发电机的结构存在一定的问题。为此，需要对风力发电系统进行结构优化设计。本项目研究成果将为风电机组的安全稳定运行提供理论依据，并为实现风电机组的高效稳定运行提供理论依据。

2.2变速恒频风力发电技术优势

风力发电技术在风力发电中的应用具有明显的优势。在风力发电的过程中，使用变速恒频的风力发电技术，能够从最大功率的角度来确保发电系统的平稳运转，不仅能够在某种程度上增加风电系统的发电量，还能够提升风电系统的运行效率。风电机组的寿命与风电机组的技术有很大关系，通过变转速、恒频率的风电机组，可以将机组的损伤降到最低，提高机组的使用寿命，降低机组的运营费用。此外，采用变频调速技术，对噪音的压制效果更好。通过对电力系统的分析，提出了一种基于微机的电力系统的电力系统设计方法。

3风力发电系统最大风能追踪控制方式

3.1最大风能追踪控制原理

“最大风能跟踪控制”要求在满足实际风力的前提下，对发电机组的实时运行状况进行持续的调节，最好的情况是：当前的风力足够将风力发电机的叶片的转速提升到额定值，将风力发电的效率提升到最大的额定值。不过，这个时候，就需要对“风能捕获”的控制了。如果没有这一点，叶片的速度就会变得更快，甚至有可能失去控制。总的来说，风力发电机的出力是在叶片速度到达一定程度后，才能达到最大的。这个数值被称作“最佳转速”，当它达到时，风力发电机的“叶尖速比”将达到最大，风力发电效率也将提升至最高。这样就可以最大限度地捕捉风力了。总之，风电机组在“变化”的情况下，需要按照特定的风速值，不停地调节机组的速度。若能让风力发电机的旋转速度与“最优功率曲线”保持一致，则可获得最大的风力发电效率。在风力发电系统的实际运行过程中，因为双馈风力发电机具有变速齿轮，所以它的作用是：可以将发电机的转速最高提高到风力机转速的N倍（这里的N并不是随机常数，而是一个定值，也就是变速齿轮的增速比）。所以，通过对发电机的旋转速度的有效控制，就可以实现“不管风力大小怎样，风力发电机组的旋转速度都可以达到最优旋转速度，从而得到最优的叶顶速比和最大的输出功率”的目标。但是，以上的理论都只是在实验中提出，实际应用中，实际风速和风场的测试精度还达不到实验的要求，所以很难确定最优旋转速度。为了解决该问题，需要通过调节风电机组的有功输出来调节风电机组的速度，从而在无法精确精确定位的条件下，保证风电机组的出力最大化。这样的话，“最大限度地控制风力发电”就基本完成了。

3.2发电机矢量变换控制系统

发电机矢量变换控制系统由两个功率转换器组成，连接到转子的转换器是转子侧整流器，连接到电网的整流器是电网侧整流器。在转子侧，电机的方向调节通过定子磁场实现，而在电网侧，电机方向调节则通过电网电压实现。该控制系统采用双闭环控制，外环为功率控制环，内环为功率控制环，内环为功率控制环。功率控制环与风力相结合，计算优化的有功功率P*，Q*无功功率设定点可根据电网的无功功率需求或发电机功率消耗角计算。比较指令P*至Q*和功率反馈值P至Q，差由功率调节器PI操作，分别产生定子电流的无功分量和有功分量I*M1、I*T1的指令输出。对i*m1、i*t1的其他操作使得可以获得转子电流的无功分量和有功分量i*m2、i*t2，将其与转子电流的反馈进行比较，并将其差分地发送到电流调节器Pi，调整后的电压分量Um2、Ut2与电压补偿分量一起，使得可以获得转子的电压分量Um2*、Ut2*，并且通过旋转变换，为了获得对应于发电机转子的三相电压的控制分量，还可以获得Ua*、Ub*、Uc*。坐标转换后，在SPWM中进行调制，并在转子侧发送整流控制信号，从而实现发电机的实时控制。

3.3风速不变情况下“最大功率点”的追踪算法

当风速恒定时，风电机组的出力随风速变化的规律满足“一凸函数”，也就是仅存在一个极值点。所以，可以通过分析曲线的坡度的变化情况，来判断最大功率点的搜索方向，步长的具体情况，从而可以在很短的时间内搜索到“最大功率点”。从实测数据（当风力保持不变时，风力与速度之间将形成一条特殊的曲线）可以看出，若搜寻工作点与最大速度点“逐渐远离”，则风力发电机组的速度变化将极大地影响风力发电机组的出力；但随着搜寻工作点逐步逼近或靠近最大功率，这时，风力机的速度变化对风力机的输出并不会有较大影响。在这样的设计下，最大风力发电的工作点和最大功率点之间，就会建立起以下的数学关系：若两者之间的距离越大，相对斜率的绝对值就越大。当两个点无限接近时，斜率就会无限接近0。要想将以上的跟踪控制思想付诸实践，就必须引进“模糊控制”的机理。而其构成原则是：输入→论域转换→模糊化、模糊推理、明确化、反论域转换→输出。另外，当风速不在改变时，则会影响到最大功率跟踪方法的运行方式。因此，在实际运行前，需要先测量出目前的风速。若忽视这一步，将使测定的结果产生偏差。

3.4双馈异步式发电机的数学模型建立

建立了异步双电源发生器的数学模型，以分析控制变量之间的关系，坐标系M-T是一个双相同步速率旋转型坐标系，其中轴M定义为定子磁通矢量。ψ1方向，轴M和T上的磁通量分量分别为ψm1=ψ1和ψt1=0。由于发电机定子侧的频率是定子电阻远低于定子绕组的电抗且可忽略不计的工作频率，因此发电机的感应电势E1可被视为等于定子侧的电压U1。E1在90度之后，因此E1和U1在轴T的负方向上，其中UM1=0和UT1=-U1。不考虑定子电阻，发电机的定子磁通量是恒定的，其数值是定子压力与同步角速度之比。

4结论

基于双馈感应式风电机组的最大风能跟踪控制，其实现方法并不复杂，其基本思想是：基于机组的最大输出功率、转速和风能利用系数，并与实际风速相关联，使机组的功率在最大值处保持稳定。在此基础上，“最大限度地跟踪和控制风力发电”在客观上得以实现。

参考文献：

[1]刘忠好，刘忠仁，曾旭.双馈风力发电系统最大风能捕获控制策略仿真[J].水电站机电技术，2020,43(03):39-42.

[2]杨永伟.变速恒频双馈式风力发电系统最大风能捕获策略研究[D].辽宁工程技术大学，2021.

[3]张藤瀚.变速恒频双馈风力发电系统最大风能追踪控制的研究[D].沈阳工业大学，2021.

[4]赵硕伟.变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制[J].内蒙古科技与经济，2021(03):107.