简谈双馈异步风力发电机变频器运行控制技术

王彬彬

（中闽（福清）风电有限公司，福建 福州 350000）

风力发电作为可再生能源的一种，近年来发展规模不断扩大，且风力发电的相关技术水平也得到了全面的进步。双馈异步风力发电机作为风力发电系统的核心组件，其性能和控制技术对整个发电系统的效率和稳定性至关重要。变频器作为调节发电机输出频率的关键设备，变频器的工作原理在双馈异步风力发电机中的应用场景极为丰富，在提高双馈异步风力发电机系统响应速度和降低能量损失方面具有关键性的作用。文章以双馈异步风力发电机为研究对象，深入剖析其基本原理，分析在双馈异步风力发电机构成的系统中，变频器运行控制技术的应用方法，以及具体的算法优化策略，通过对相关关键技术深入研究，为风力发电行业的技术进步提供有益的理论支持，为未来的风力发电系统设计和优化提供有力参考。

1 双馈异步风力发电机的特点

双馈异步风力发电机具有高效能转换、稳定性强、适应性广泛的应用优势，且由于双馈异步风力发电机独特的结构和工作原理在风力发电领域内得到了广泛应用。相比于其他类型的发电机而言，双馈异步风力发电机采用了双馈结构，即在转子和定子回路上均设置了可调谐的功率电子变流器，双馈结构使得发电机在变化的风速条件下能够更为灵活地调整输出功率，提高了能量转换的效率。在实际应用过程中，双馈异步风力发电机能够更好地适应风力资源的波动，实现更高水平的发电效益。

一方面，由于双馈异步风力发电机具有双重馈电回路，使得系统对外界扰动有较强的抗干扰能力，使得发电机在面对风力波动、电网波动等外部影响时，能够更为平稳地输出电能，提高了风电系统的整体可靠性，实际应用过程中对于电网接入和稳定供电至关重要，尤其是在大规模风电并网的情境下，能够有效降低系统的运行风险。另一方面，双馈异步风力发电机可调节的功率电子变流器使得系统能够更好地适应不同运行条件，不仅能够在不同风速下实现最佳功率输出，还能够在电网电压或频率波动时灵活调整发电机的运行状态，保持系统的稳定性，其本身具有的灵活性使得双馈异步风力发电机适用于各种地理环境和电网接入条件，为风力发电技术的推广应用提供了更多可能性。

2 双馈异步风力发电机变频器的功能

双馈异步风力发电机变频器是风力发电系统中的核心组成部分，也是双馈异步风力发电机正常运转的必要保障，双馈异步风力发电机变频器可以调整和控制发电机输出功率，从而起到多功能的调节控制效应，确保双馈异步风力发电机能够更好地服务生产实际。

首先，双馈异步风力发电机在应用过程中，随着风速的变化，发电机的转速也需要相应调整以确保在不同风速条件下能够获得最佳功率输出，而变频器通过调整电机的频率，使得发电机能够以不同的转速运行，从而适应不同的风能输入。其次，双馈异步风力发电机在工作阶段，为了将发电机产生的交流电转换成适应电网要求的电能，变频器将发电机输出的交流电转换为直流电，再通过逆变器将直流电转换为符合电网标准的交流电，通过变频器可以确保风力发电系统能够将获得的风能有效地注入电网。此外，双馈异步风力发电机变频器通过控制电流，变频器能够调整发电机的输出功率，以适应电网的需求，并确保系统的稳定性，在很大程度上可以确保发电机在各种工作条件下能够稳定运行。最后，在电网接入时，变频器还负责对发电机输出的电压进行控制，通过调整电压水平，使得发电机的输出电能能够平稳地注入电网中。除此之外，双馈异步风力发电机作为电气设备，在双馈异步风力发电机构成的系统中，故障监测技术的应用尤为重要，变频器具备故障保护功能，实际应用能够监测发电机和电网的运行状态，当变频机在工作中检测到双馈异步风力发电机的异常情况，可以及时采取保护措施，防止系统受损。

3 双馈异步风力发电机变频器运行控制技术

3.1 变频调节

双馈异步风力发电机运行过程中，为了最大化捕获风能，提高整个风力发电系统的效率而采用的关键控制手段。通过变频器的运行控制技术，可以控制发电机的输出频率来实现对转速的调整，从而使得发电机能够在不同风速条件下高效运行。

首先，采用变频调节的双馈异步风力发电机能够更加灵活地调整输出频率，从而在不同风速下获得更高的转速，实现更大的功率输出。具体而言，随着风速的波动，传统的固定速度发电机可能无法适应这种变化，变频调节的核心目标是在不同风速情况下调整发电机的转速，使其运行在最佳工作点。其次，变频调节过程中的频率控制阶段，变频器可以调整输入电源的频率，从而改变发电机的输出频率。在风速较低时，通过增加频率，发电机的转速可以提高，以适应更高的风能输入。相反，在风速较高时，通过降低频率，发电机的转速可以降低，以避免过载运行。此外，在电网并网时，一般会要求发电机的输出频率与电网频率保持同步。变频调节技术可以通过实时调整发电机的输出频率，确保与电网同步运行，从而实现平稳的电能注入电网，维护电网的稳定性。

3.2 MPTT 控制

MPTT 控制的主要目标是实现在不同风速条件下，追踪并维持发电机的最大功率点，从而最大程度提高风力发电系统的能量转换效率，该技术通过精确调整发电机的工作状态，使其在各种风速变化中都能够以最优的方式将风能转化为电能。

具体而言，在风力发电系统中，实时监测和反馈机制尤为重要，而双馈异步风力发电机变频器能够使得风力发电系统能够适应瞬时的风速变化，最大化地捕捉可用的风能。MPTT 控制通过实时监测这些关键数据，采用先进的算法和传感器来监测风速、转速和输出功率等参数，确保控制系统能够精确地计算当前工作点的最大功率点。一方面，在风速较低时，系统可以通过调整叶片角度来提高转速，以达到更高的功率输出。而在风速较高时，系统可以通过适时调整变频器参数，降低转速，以避免过载运行。MPTT 控制通过调整双馈异步风力发电机的叶片角度和变频器参数等来实现对最大功率点的追踪，动态调整的过程需要高度灵活的MPTT 控制策略，确保系统在不同工况下都能够达到最佳运行状态。另一方面，MPTT 技术的核心应用在于维持电网的稳定性，并尽可能提高发电系统的可靠性。MPTT 控制技术通过调整发电机的输出功率，使其与电网的要求相匹配，确保平稳地将电能注入电网，在实现发电机与电网的有效匹配方面发挥了关键作用。

3.3 风机侧电压控制

风机侧电压控制是在电机转子侧进行的一项控制策略，其关键目标是保证发电机输出的电压符合电网的标准，防止对电网产生不良影响。在双馈异步风力发电机变频器运行控制中，风机侧电压控制技术通过对风机侧电压进行调控，可以最大程度上确保风力发电系统在电网并网时能够提供稳定的电压输出，维护电网的稳定性。

首先，在电网并网时，电压的稳定性对于维持电网的正常运行至关重要，通过实时监测电压，并根据电网的要求进行调整，风机侧电压控制技术确保发电机提供的电压始终在可接受的范围内，避免因电压波动引起的电网不稳定问题。而风机侧电压控制技术采用先进的电气调节系统，监测和调整风机输出的电压水平。其次，风机侧电压控制还通过对发电机的电磁特性进行调整，这种调整是通过变频器对电机输出进行精确控制实现的，确保发电机能够适应电网的工作频率，并提供与电网同步的电压输出，使得输出电压符合电网频率和电压的要求，对于保证电力系统中的各个组件协调运行，防止电网波动，具有重要意义。除此之外，风机侧电压控制技术还在电压下降或电压过高的情况下进行及时响应和调整，通过监测电网电压的变化，系统能够迅速调整发电机的电压输出，确保系统在电网并网的过程中不会对电网造成过大的电压波动，维持电网的安全和稳定运行。

4 双馈异步风力发电机变频器运行控制算法

4.1 PI 控制算法

在双馈异步风力发电机中，PI 控制算法被广泛应用于电流和电压的调节，以确保系统在不同工况下的稳定运行。PI 控制属于经典的反馈控制算法，通过对系统的误差进行调节，实现对输出精确控制。

Pl 控制通过比例项（P）和积分项（I）来调整系统的输出，以最终消除误差并保持系统稳定。

系统输出（控制量）：控制量（u(）由比例项和积分项的和组成，即：

其中：

u(t)是控制量（输出）。

e(t)是误差信号，表示期望值与实际值之间的差异，e(t)=r(t)-y(t)。

Kp是比例增益，控制比例项的权重。

Ki是积分增益，控制积分项的权重。

误差积分项：

积分项用于消除系统的稳态误差，其表达式为：

该项的积分操作对误差信号进行累积，以确保系统能够逐渐消除任何持续的偏差。

控制器输出：

控制器的最终输出是比例项和积分项的和，即：

一方面，在双馈异步风力发电机中电流的稳定性对于保障系统的正常运行至关重要，而PI 控制算法通过测量实际电流与期望电流之间的误差，并根据误差的大小和变化率来调整控制信号，使实际电流迅速趋向期望值，从而维持系统的电流稳定性。另一方面，在风力发电系统并网时，PI 控制算法通过监测电压误差，并通过比例项和积分项的结合来调整变频器的输出，以使输出电压维持在电网要求的合理范围内。除此之外，PI 控制能够处理系统中的稳态误差，使得PI控制算法在应对风力发电系统动态变化时表现出色，有效提高了系统的动态响应性，并通过积分操作来逐渐消除这些误差。

4.2 模型预测控制算法

在双馈异步风力发电机中，MPC 算法以其灵活性和高度精确的控制特性，为系统提供了有效的运行保障。具体而言，模型预测控制（MPC）算法是一种先进的控制策略，其核心思想是通过建立系统动态模型，预测未来一段时间内的系统行为，并在每个时间步上进行优化控制。

MPC 算法通过建立双馈异步风力发电机的动态数学模型，考虑系统的非线性特性和各种约束条件，包括电机的物理约束、电流和电压的限制等，模型将系统的输入（控制信号）与输出（状态变量）关联起来，形成了一个多变量优化问题。首先，MPC 算法通过考虑系统的时间动态性，能够提前对风力发电机的运行状态进行准确估计，从而具备更好的预测性能，精准的预测性能使得MPC 能够在系统出现扰动或变化时更灵活地作出响应，确保系统能够迅速适应新的工作条件。其次，MPC 算法在每个时间步上进行系统状态的优化控制，以使系统的性能指标达到最优，从而调整双馈异步风力发电机的电流、电压和转速等参数，最大程度提高系统的能量转换效率、维持电网电压和频率的稳定性。最后，根据反馈的控制结果输出对应的参数，综合考虑系统的非线性特性和各种约束条件，为双馈异步风力发电机变频器系统的运行提供了高效控制。

5 结语

综上所述，双馈异步风力发电机变频器运行控制阶段，通过变频器的变频调节、最大功率点追踪（MPTT）控制，以及风机侧电压的控制，实现了风力发电机工作效率的全面提升，双馈异步风力发电机变频器控制技术在具体应用过程中通过PI 控制算法，以及模型预测控制（MPC）的算法整合，实现了对风力发电机在不同风速和电网条件下的高效、稳定运行，其中，PI 控制算法通过比例和积分项的调节，确保系统在瞬时和稳态下的优越性能，MPC 算法则通过建模、预测和优化，实现对系统的精准控制。总而言之，双馈异步风力发电机在复杂多变的环境中展现出卓越的适应性和可靠性，双馈异步风力发电机变频器运行控制技术对风力发电系统更高性能和更可靠运行的需求，同时也服务于推动清洁能源技术的发展，为实现可持续能源做出贡献。