变速风力发电系统变流与优化控制研究

李迎辉

摘 要：随着科技不断发展，大量的绿色能源被开发出来，通过风力进行电能产生的主要原始能源具有环保、持续性强等特点，为了加强风力发电系统的发电功率，针对风力发电系统的变流技术进行探讨，通过对发电系统变流的逆变器控制方法进行研究，使用电力系统建模进行仿真实验，对风力能源变流器的结构分析，从而研究出最大功率的获取方法。

关键词：风力发电系统 变流 优化控制

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）05（a）-0023-02

电能已经成为当前人类使用最广泛的能源，电能的使用已经渗透到人们生活的各个角落。在经济发展的过程中，由于电力系统容量不断增长，并且专业技术不断更新，在保证发电成本的情况下产生更多电能成为当前电力系统研究最重要的项目之一。风力是地球上最环保、成本低、用之不竭的能源之一，将风力运用到电力系统当中，可以极大的降低电力系统发电成本，并且保证生态环境不受污染。我国是风能资源非常丰富的国家之一，在我国东北、蒙古、青藏高原等地区，年平均风速可以高达6 m/s，并且持续时间约为4 000 h，在风力资源丰富的广阔地区建立风里发电厂是保证我国电力行业发展的重要工作项目。并且，提高風能发电技术以及风力发电系统的优化控制等已成为保证风力发电系统运行的重要前提。

1 风力能源系统中逆变器的控制方法

风力能源系统的逆变器有单相逆变器与三相逆变器两种。三相逆变器通常使用在大功率的系统中，单相逆变器通常被运用在中小功率的系统当中。当变流器安装在同步发电系统当中的定子侧时，需要逆变器在调节系统能能量的同时变化电能。

通常在系统运行的过程中，是通过电流与电压对逆变器进行控制，而逆变器在运行的过程中由于负载不同，会导致负载参数的控制不同，所以需要根据逆变器运行中的电流与典雅来对系统进行有效的控制。

逆变器当中存在大量的全空性开关元件，便于电流与电压的传输工作，并且电压与电流的波形可以通过逆变器的开关进行有规律的控制，针对控制规律进行研究，从而研发出PWM控制技术。通过利用逆变器开关离散化电压与电流，从而组成新的电压或者电流。其中PWM技术的主要控制方法分为线性电流控制、滞环电流控制、预测电流控制等。线性电流控制通常用于传统系统性能较低的系统，并且性能会随着功率开关频率而增加；滞环电流控制系统通常是通过电流跟随的给定电流使逆变器进行电流电压输出，这种方法实际输出的电流通常会被限制在电流周围，并且形成正弦波形，并且具有反应快、准确度高等特点，不过由于开关频率不够稳定并且电流脉动过大，导致这种方法使用并不广泛。而预测电流控制则是通过实际电流在传输过程中的误差，来对负载量的误差值进行预测，从而在下一调整周期减少误差，当前这类调节器具有一定的局限性，不过可以为模型提供准确的系数参数。

2 风力发电系统建模

由于在建立发电系统之前，需要对各个系统性的资料进行测试，而如果在实际系统当中测试则会浪费大量的人力物力。所以，建立风力发电系统建模就成了研究风力发电系统特性的重要方法。在对风力发电系统的最大功率进行计算的过程中，可以通过PSIM的软件进行仿真系统建模建立。通过有效电路，建立风力发电系统建模，从而再通过SIMULINK系统进行模型建模的仿真运行，并且通过系统当中已经存在的仿真模型板块对变流器进行模拟，从而检查模型的正确性。

电子电路系统最广泛使用的软件是PSIM。这种软件拥有最理想的功率半导体开关模型，并且在方正系统运行的过程中结果比较稳定，并且模拟时具有计算速度快，计算结果稳定等特点。但是在实际运用的过程中，如果系统结构是用户自定义设计，则会加大建模难度。

3 新型风力能源变流器拓扑结构

在风力发电系统发展的过程中，由于变流器结构基本一致，导致联网型的风力发电系统中的电压不是一个常数，并且在电流传输的过程中这个数值不会发生改变。其中系统中的电压变化是受风速变化的影响。其次，在逆变器传输的过程中，电机通常加速较为稳定，并且电机输出功率正常，但是在减速的过程中，电机可以通过逆变器对系统进行反馈，并且直接在电容器中储存。其中，风力系统当中的电网容量可以作为无穷大，当直流电压被过于太高之后，整流器则无法正常工作。当系统无法向电容系统传送能力时，逆变器由于无功功率过于增加，则会导致谐波过于增大，使系统综合能力下降。

3.1 单相逆变器

单项逆变器的使用可以直接放置二极管内电容被IGBT充电，通过增加阻断二极管的方法可以直接解决。单项逆变器的联网系统中有6种连接方式，IGBT为了阻断二极管的电路，则会吸收电路当中的电容，导致数据较大。当IGBT的状态发生改变时，如果桥臂上下两个元件缺少关断时间，则会直接导致直流环节短路。

3.2 三相逆变器

三相变速器在使用过程中依然存在直流环节电压不足的问题，当出现这种情况时应当在逆变器当中增加二极管，通过仿真模型模拟之后确定方法的可用性。直流环节安装阻断二极管不会影响单项能量传输，并且IGBT与二极管并联之后，三相线的电压最大值会与安装在三相逆变器的阻断二极管的阴极电压相等。同时，为了保证更好的能量传输性能，可以使用三阻断二极管与二极管通路反并联。根据电子系统仿真模型进行计算之后发现，IGBT开关方式与相短路电流具有一些关联，如果使用科学的方法可以对相短路的电流进行控制。

3.3 倍压整流器

在风力系统实际运用的过程中，如果使用额是单相发电机或者相发电机，则可以通过提高直流电压的方法来增大功率输出。当发电机开关与电容的中点连接之后，可以直接将直流电压提高。当风力发电系统的受到的风力增加，则可以直接将开关复位，不必经过电压，将整个系统调整为普通的电流。

3.4 升压斩波器

为了避免三相发电机中的电路受到发電机转柜的脉动，可以使用升压斩波器来提高直流电压，将升压斩波器安装在直流电容与整流器中间。升压斩波器通常是由TGBT开关与二极管组成，可以通过电路控制电压，如果当前风速较高，可以直接通过电路将开关关闭，由于通过斩波器控制的电流在整个系统当中是独立的，可以保持系统运行的稳定性。

4 智能最大功率获取算法

风力发电系统当中的最大能量转换效率，通过监测叶尖速，从而计算智能最大功率，功率信号反馈控制需要建立在风机的特性参数的基础上。所以，在进行风力发电系统的最大功率过程中，需要系统运行时使用HCS控制转变的方法保持在最佳运行点。其次需要智能系统的监测与记录工作都保持良好稳定的运行，从而可以使用PSF控制来获取最大功率的数值。

在计算的过程中，可以将理想的风能使用一个系数来表示，从而获得最大功率的数值，通过计算系统风速每三分钟随机变化的平均值，从而将小惯量的系统与大惯量的风机系统进行控制，从而获取最大风能。这种控制算法是风力发电系统通用，与实际发电系统的硬件无关，需要了解逆变器的直流电压，与另一个系统的输出功率。

5 结语

为了变速风力发电系统拥有更好的发电性能，就必须对最大功率的获取方法进行研究，通过构造建模以及模拟计算，获得逆变器控制方法，并且根据控制方法来进行电流滞环、空间矢量计算等工作，从而加强风力发电系统的工作效率。

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