双馈风力发电系统控制策略研究

肖丽娜

四川东方电气自动控制工程有限公司

双馈风力发电系统控制策略研究

肖丽娜

四川东方电气自动控制工程有限公司

随着我国化石能源消耗的日益增长，造成诸多资源已经面临枯竭。石油等化石能源不可再生和燃烧对环境造成严重污染，已成为人类实行可持续发展道路上迫切需要解决的问题，开发利用可再生能源是解决能源危机和环境污染问题的必然选择。风能是所有可再生能源中发展速度最快和开发规模最大的，存在巨大潜力成为保护地球生态环境的清洁能源。如何最大程度利用风能以及控制风力发电系统功率输出，成为风力发电领域的研究重点。

双馈发电机；风力发电系统；控制策略

能源是人类发展进步的基础，关系到国家社会、经济全面可持续发展，当今世界，人类社会发展日益加速，社会的发展提高了人们的生活水平，同时对能源的需求也大大增加。随着化石资源的日益枯竭和人类对全球环境恶化的倍加关注，寻找可替代的清洁能源成为国家能源战略的重点。

1 双馈异步电机运行的基本原理

双馈异步发电机功率通常在几百千瓦至几兆瓦之间，发电机定子只能将风力机功率传输绐电网，因此定子中功率流动是单向的。转子回路中根据发电系统的运行状态不同，功率流动的方向也会不同，电网可以通过转子侧和网侧变换器从转子接收功率，也可以给转子输送功率。转子经过变换器传送的最大功率比全功率变换器功率小的多，为双馈发电机额定功率的30%左右。

双馈风力发电系统中，f1和f2分别表示双馈电机定子和转子电流的频率，n1表示同步转速，nr和ns分别表示转子速度和定子速度。由电机学的知识可知，为了保持双馈电机稳定工作必须使转子磁场和定子磁场旋转速度相同，必须满足：n1=nr+ns；假定用P来表示电机的极对数，同步转速n1和定子转速ns分别可以表示成：n1=60 f1/P；ns=60f2/P。进一步可得出：从该式中可以看出，当风力机转速nr变化，通过调节f2，维持f1不变。当转子电流频率f2大于0时，电机工作于亚同步模式；当转子电流频率是小于0时，电机运行于超同步模式；当电机是同步运行模式时，转子侧直接是直流励磁。

2 双馈风力发电系统变换器控制

2.1 网侧变换器矢量控制策略

网侧变换器在电网电压正常的情形下，常常使用的矢量控制策略有两种：第一种是基于电网电压定向的矢量控制；第二种是基于虚拟磁链定向的矢量控制。电网电压定向的矢量控制是以电网电压的角度作为电流坐标变换的参考依据，通过控制dq轴电流实现控制网侧变换器有功和无功的目的。虚拟磁链定向控制的目的是为了降低控制器成本，这种控制策略不需要电压传感器，把网侧变换器等效成为了一台由转子侧逆变器供电以电网同步频率运行的交流电机。控制方法采用交流电机磁链观测相类似的方法来获取虚拟的电网磁链，从而省去了电网电压作为定向矢量的参考，也就不需要电压传感器测量电压。

2.2 转子侧变换器矢量控制策略

转子侧变换器常使用定子磁链定向的矢量控制和定子电压定向的矢量控制。当采用定子磁链定向控制时，系统需要对双馈电机定子磁链进行估测，使转子变换器控制系统变得繁琐，因此基于定子电压定向的矢量控制是转子侧变换器控制中最为普遍使用的。电网可以看作无穷大电源，发电机的定子在额定工作状况的电压和频率就是电网的电压和频率。双馈异步发电系统定子电压和频率恒定使得使用定子电压定向的矢量控制变得非常简便。电压定向矢量控制的系统具有不需要坐标变换，简化了其系统结构的优点，也使得系统建模更加简单。

3 风力发电系统的最大功率跟踪控制策略分析

3.1 基于扰动控制的最大功率跟踪策略

扰动控制法又叫爬山法，是从光伏发电系统的最大功率控制中移植过来的。

图1 扰动控制算法流程图

如图1所示，当Pi＞Pnow时继续按照PWM+blank方向调整；当Pj＞Pnow时，则按照PWM-blank方向调整。对于定步长的扰动控制方法，选用扰动步长过大可减小到达稳态的时间，但系统稳态误差大；选择小的扰动步长可使稳态误差很小，但系统跟踪速度变慢。为了解决矛盾，提出了变步长(blank)的控制方法，基本的控制原理是在初始状态下为了提高功率跟踪速度，可以将初始步长设置较大，在接近最大功率点的方向上使步长(blank)逐渐减小，这样就保证了风力系统的输出功率向增大的方向变化，输出功率将会在功率最高点两侧较小的范围内来回波动，系统稳态时跟踪精度能够达到最优。变步长的扰动控制方法虽然在跟踪速度和稳态精度上具有优势，但是控制方法较难，所需成本高，在小功率风力发电系统中不具备明显的优势。

3.2 基于风机功率曲线和扰动控制的最大功率控制策略

为了适应风力发电系统中风速等因素的快速变化，本文提出最大功率控制算法是综合风力机定子功率-风速关系曲线的最大功率控制和变步长扰动控制提出的。理论上克服了基于风力机定子功率与风速曲线控制对于风速测量和定子功率-风速曲线精度要求高的问题。常规扰动控制策略的步长是直接扰动开关信号的占空比，从而达到控制输出电压的目的，但本文是基于定子电压定向矢量控制原理，扰动控制扰动的不是占空比而是的转子d轴电流的误差信号。

现阶段，随着我国石化资源的日益枯竭和日益严重的污染问题，加大对可再生清洁能源的探索与研究迫在眉睫。风能作为一种清洁、无污染的可再生能源越来越受到人们的关注。在风力发电系统中，双馈风力发电机是风电系统的核心部分，因此对双馈发电系统进行研究具有重要意义。

[1]赵梅花.双馈风力发电系统控制策略研究[D].上海大学，2014

[2]杨之俊.双馈风力发电系统的故障控制策略研究[D].合肥工业大学，2009