并網型風力發(fā)電機組的控制技術綜述

1、第卷第期電力電子技術，年月并網型風力發(fā)電機組的控制技術綜述耿華，楊耕，馬小亮（清華大學，北京；天津大學，天津）摘要：并網型風力發(fā)電系統(tǒng)有恒速恒頻（，簡稱）和變速恒頻（簡稱）兩種工作方式。本文介紹了兩種方式下不同的電路拓撲結構及其優(yōu)缺點，在此，基礎上概述了不同風速下風力發(fā)電機組的控制方法。風力發(fā)電機組的控制通常按風速分為起動、額定風速以下及額重點討論了方式下，額定風速以下階段的最大風能捕獲控制方法，以及額定風速以上階定風速以上個階段。段的槳矩角控制方法，并比較了各種方法的優(yōu)缺點。最后介紹了當前的幾個研究熱點。關鍵詞：風力發(fā)電機；電機；控制最大功率點追蹤中圖分類號：，文獻標識碼：文章編號：（），（

2、，；，）：（）（）：，（），：；引言風機的掃掠面積，空氣密度風速葉尖速比，槳矩角風機半徑風力發(fā)電技術以其無污染，施工周期短，投資靈活，占地少，造價低等特點，受到世界各國的高度重視。通常，風力發(fā)電系統(tǒng)中，機械成本占裝置總成本的由于結構簡單、運行可靠，風力左右。長期以來，發(fā)電系統(tǒng)主要采用恒速恒頻（簡稱）發(fā)電方式，但其發(fā)電效，率較低，而且機械承受的應力較大，相應的裝置成本較高。為實現(xiàn)不同風速下的高效發(fā)電，國內外正在采用變速恒頻（，簡稱）發(fā)電方式，低風速下風機轉速相應下降，從而大大降低了系統(tǒng)的機械應力和裝置成本。本文綜述了上述兩種發(fā)電方式下，并網型風力發(fā)電機組的各種控制方法。風機機械角速度工作原理及特

3、點風機功率特性風機從風中吸收的有功功率，即風機的輸出功率為：（）由式（）可知，通過控制和電機轉速都可改變風機吸收的風能。由空氣動力學的相關知識可知，稱為貝茲極限。圖示出最大可達，的關系曲線。當一定時，與存在最大值，控制使最優(yōu)，可實現(xiàn)風機的輸出功率最大；當變化時，也相應變化。理想狀態(tài)下，對應最°大，實際系圖風機的與，關系曲線統(tǒng)中，由于槳葉中雜質和氣流等的影響，最優(yōu)值一般在°附近，可通過現(xiàn)場調試獲得。和的工作原理及特點和發(fā)電方式各有優(yōu)缺點，而且兩種方式下所采用的發(fā)電機類型和電路拓撲結構有所區(qū)別。由于同步機并網比較困難，一般采用鼠籠式異步電機。圖示出其典型的電路拓撲結構。當風機帶

4、動發(fā)電機達到或接近同步速時，并網運行，此后式中風機的功率系數，（，）定稿日期：耿作者簡介：華（），男，江蘇揚州人，博士研究生。研究方向為能量優(yōu)化。第卷第期電力電子技術，年月基本保持恒定，系統(tǒng)送入電網的電壓頻率恒定。同步發(fā)電一般采用交流勵磁的雙饋發(fā)電機、機或直接驅動的多級永磁同步發(fā)電機。圖，示出其相應的電路拓撲。系統(tǒng)運行時，在不同下控制發(fā)電機變速運行，提高風能的利用率，系統(tǒng)送入電網的電壓頻率恒定。對于雙饋發(fā)電機，通過控制轉子側的滑差功率來改變其對于同步發(fā)電機，通過控；制定子側的有功功率來改變其。輪箱，則與圖方案相比，系統(tǒng)成本并未增加。相應地，系統(tǒng)的機械效率較高，免去了齒輪箱的維護，運行可靠，隨著

5、大容量電力電子器件的發(fā)展，將會得到更多的應用。并網風力發(fā)電機組的控制迄今，已有許多文獻對用于并網型風力發(fā)電機組的控制方法做了研究。通常，可根據的大小，將風力發(fā)電機組的控制分為起動、額定風速以下及額定風速以上個階段。發(fā)電機起動后，在額定風速發(fā)電方式下，以下，控制在額定風速以上，需通過槳基本不變；葉的失速或者調節(jié)限制其功率輸出。發(fā)電方式下，發(fā)電機起動后，在額定風速以下，根據的變化調節(jié)實現(xiàn)最大風能的轉換，由于，的限制，該階段又分為變速運行區(qū)和恒速運行區(qū)，恒速區(qū)需要調節(jié)，以限制在額定風速以上，因；和輸出功率的限制，一方面需要調節(jié)，限制另一方面，需通過變頻器限制其輸出功率。方式下風力發(fā)電機組的控制以鼠籠

6、式異步發(fā)電機為例，大于切入速度后，當檢測到發(fā)電機與電網相序相同，并且接近同步速時，控制其并網。由于并網前鼠籠式異步發(fā)電機的定子端電壓為零，所以并網瞬間定子沖擊電流可達為抑制該沖擊電流，一般采用軟倍額定電流值。并網的方法，發(fā)電機經雙向晶閘管連網，通過電流反饋控制雙向晶閘管導通角從°逐漸打開，將°并網結束后，沖擊電流限制在倍額定值左右，再將晶閘管短接。在額定風速以下，感應電機向電網輸出一定時，的功率取決于電機滑差和電機參數，基本保持不變，而電機參數一定，故無法控制電機的輸出功率。圖示出發(fā)電機慣例下鼠籠式異步發(fā)電機的轉矩與轉速的特性曲線。上述工況為電機工作在線性工作區(qū)段。在額定風

7、速以上，電機的輸出功率隨風速的增加而增加，電機沿與特性曲線曲線的方向運行，當輸圖異步電機與出功率超過點所對應的功率時，電機運行到非線性區(qū)段，隨著會引起電機飛車。為減小，的升高，避免此類危險，失速型風機通過槳葉失速限制輸出功率，而變槳矩風機通過改變限制輸出功率。圖和風電系統(tǒng)的電路拓撲表給出幾種發(fā)電方案的性能對比。由于大容量風機的一般為左右。因此采用較低，圖方案時，若不加增速齒輪箱，則系統(tǒng)工作在需要設計電機的極對數為，顯然無法下，實現(xiàn)。表幾種風力發(fā)電方案的性能對比拓撲結構發(fā)電機圖圖圖同步發(fā)電機機械承受應力和噪聲小，氣動效率高圖永磁同步發(fā)電機機械承受應力和噪聲小，氣動效率高，無需齒輪箱電氣損耗和變頻

8、器容量大，昂貴，電機體積大，復雜鼠籠異步雙饋發(fā)電機發(fā)電機魯棒，便宜，機械承受應力氣電氣損耗小和噪聲小，動效率高，變優(yōu)點頻器容量小氣動效率電氣損耗較電氣損耗有齒輪箱，和變頻器低，機械承大，容量大，有缺點受應力和噪昂貴齒輪箱，較聲大，有齒昂貴輪箱采用圖方案時，因直驅式永磁同步發(fā)電機可發(fā)出低頻交流電，電機所需極對數較少，因此盡管該方案需要額定容量的功率變換器，但因其能節(jié)省齒并網型風力發(fā)電機組的控制技術綜述在風速變化時，保持不變，顯然不可能保持為最大值，該方法的效率不高。方式下風力發(fā)電機組的控制圖示出由式（）和關系曲線得到的當一定時，不同下，即的風力發(fā)電機的輸出功率與轉速的特性曲線。出功率與（見圖的段

9、），以實現(xiàn)最大曲線風能捕獲。該方法需要測量輸出功率和還需根，據廠家提供的輸出功率與曲線擬合出最優(yōu)的輸出功率與因此，該方法執(zhí)行的代價很大，但曲線。能有效避免輸出電能的波動。用方法將輸出功率與曲線分成上山段（對應圖的段）和下山段（對應圖的段），通過搜索法控制電機運行到最大風能捕獲點。該方法僅需測量輸出功率和，無需其他信息就能實現(xiàn)最大風能捕獲。但當風力機的機械慣性較大時，該方法失效。用方法根據式（）與和功率的關系，計算出控制發(fā)電機轉矩跟蹤，即下的電機，可實現(xiàn)最大風能捕獲。該方法需測量和電機的同樣還需知道通常由公式計算電機的，。因此該方法對電機參數有很強的依賴性。圖示出上述方法的控制框圖。其他還有一些

10、間接實現(xiàn)最大風能捕獲的方法。例如，針對圖的電路結構，由于直流母線的輸出功率和關系曲線與風機的輸出功率和（圖）類似，文獻關系曲線通過搜索算法控制直流母線上有功最大而實現(xiàn)最大風能捕獲。圖風力機的與曲線對于永磁同步發(fā)電機，由于勵磁始終存在，一旦大于切入速度并且直流母線電壓足（）起動階段夠高時，控制電機并網；對于他勵同步發(fā)電機和雙饋發(fā)電機，因需要外加電源勵磁，當風力機帶動其接近同步速時，控制其并網，此時電機運行在圖的段。（）額定風速以下階段由于該階的限制，段又可分為變速運行區(qū)和恒速運行區(qū)。在變速運行區(qū)，風力發(fā)電機組控制的主要任務是通過對的控制來跟蹤最佳的曲線，以獲得最大能量的，此時保持為最優(yōu)不變，電機

11、運行在圖的段?？刂品椒ㄓ校褐苯铀俣瓤刂疲?，簡稱）和間接速度控制（，簡稱。又稱為最佳葉尖速比控制（）簡稱），即從風力發(fā)電機組的功率特，性推算出最佳葉尖速比再，根據測量得到的值，由控制風力機的跟得到最佳風機轉速，蹤實現(xiàn)最大風能捕獲控制。該方法需要知道，和?？筛鶕S家提供的風機輸出功率與轉速對于不同風機，該值不同；此外，很曲線估算而得，難準確測得。這些難點使得該方法的執(zhí)行難度加大，而且它的致命缺點是因快速變化的有很強的依賴性，導致送入電網的電能波動較大。圖示出上述方法的控制框圖。當風力機與發(fā)電機之間有齒輪箱相連時，（。為齒輪箱變比）圖中圖方法控制框圖測得的發(fā)電機輸出有功功率、轉，矩、轉速、電壓、頻率

12、和電流給定的發(fā)電機輸出有功功率、轉，矩、控制電壓和頻率圖控制框圖圖中發(fā)電機的轉速測量值和轉速給定值，是通過控制其方法中，不是直接被控制的，他參數，如發(fā)電機的和功率來控制通常有功的。率信號反饋法（，簡稱）、爬山法（，簡稱）、最優(yōu)轉矩法（，簡稱）及其他方法。用方法控制風力發(fā)電機組跟蹤其最優(yōu)輸針對不同的電路拓撲，圖和圖的控制器有不同的實現(xiàn)方案。在圖的結構下，一般采用基于定子磁鏈、氣隙磁鏈或定子電壓定向的矢量控制，可實現(xiàn)定子側有功和無功功率的解耦控制，通過設計線性，如調節(jié)器實現(xiàn)控制目標；在圖和圖結構下，一般采用基于轉子磁鏈定向或定子磁鏈定向的矢量控制?？紤]到參數攝動、電網擾動等影響，上述結構都采用了自

13、適應、魯棒控制、智能控制等非解耦控制方第卷第期電力電子技術，年月法，通過設計非線性控制器，以實現(xiàn)控制目標。在恒速運行區(qū)，由于需要通過增大的限制，此時電機運行于圖的段。目前的來限制，圖控制方法一般建立在小信號模型的基礎上，示出控制框圖。其控制器一般為線性控制器，也可采用非線性如魯棒控制器。參考文獻葉杭冶風力發(fā)電機組的控制技術北京：機械工業(yè)出版社，（）：，（）：，圖小信號模型法控制框圖（）額定風速以上階段由于和輸出功率的限制，一方面需要通過增大來限制風機轉速，另一方面還需要通過電氣控制來限制輸出功率，控制方法與上述類似。，（）：賀益康，趙仁德變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)最大風劉其輝，能追蹤控制電力系統(tǒng)自動化，（）：，（）：，結論與展望對并網型風力發(fā)電機組的控制方法進行了簡單介紹，其結論為：（）不同風速下，方式的風機都工作在最高效率點，風電系統(tǒng)的效率比提高了左右，將逐步替代方式。隨著大容量電力電子器件的發(fā)展，風電系統(tǒng)中（）直驅式永磁同步發(fā)電機將會得到更多的應用和發(fā)展。（）針對風電機組的控制，目前，發(fā)電機轉速控制和變速運行區(qū)的最大風能捕獲方法已較為成熟，當前的研究熱點有：在恒速運行區(qū)及額定風速以上運行時，由于槳矩角與風機轉速的非線性關系，所以有效的槳矩角控制及槳矩角與電氣的協(xié)調控制方法有待研究；隨機性隨著電網內風電容量的增大，的風電對電網的穩(wěn)定性的影響需進一步研究。：，（），（