馬宏革 鞏真

包頭輕工職業(yè)技術學院能源工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014030

引言

稀土永磁直驅(qū)式風力發(fā)電機，是一種由風輪直接驅(qū)動發(fā)電機的風力發(fā)電機組，亦稱無齒輪風力發(fā)電機。由于目前在某些兆瓦級風力發(fā)電機組中齒輪箱是容易過載和損壞率較高的部件，而無齒輪箱的直驅(qū)方式能有效地減少由于齒輪箱磨損問題而造成的機組故障，可有效提高系統(tǒng)運行的可靠性和壽命，減少維護成本，因而得到了市場青睞。

1 稀土永磁直驅(qū)機系統(tǒng)結構

稀土永磁式直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)主要由風輪、永磁發(fā)電機、全功率變流器、變壓器及控制系統(tǒng)等構成。風輪從風中捕獲風能,并通過傳動系統(tǒng)將風能轉(zhuǎn)換為機械能，風輪帶動永磁發(fā)電機旋轉(zhuǎn)將獲得的機械能轉(zhuǎn)換為電能，全功率變流器將發(fā)電機發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的電能經(jīng)變壓器送入電網(wǎng)。

2 變流系統(tǒng)

在永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中，變流系統(tǒng)主電路采用交－直－交結構，將風力發(fā)電機發(fā)出的能量送入電網(wǎng)。其中交－直變換部分采用三相不控整流器，直－直變換部分采用雙重升壓斬波器，直－交變換部分采用兩重 PWM 逆變器。將直驅(qū)風機系統(tǒng)及其變流系統(tǒng)的主電路圖確定為如圖 1 所示。

變流主電路由以下幾部分組成：永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)，三相不控整流電路，雙重升壓斬波電路，制動單元，兩重并網(wǎng)逆變電路，濾波電路。

圖1 稀土永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組拓撲結構

在交－直－交變流控制系統(tǒng)中，為了滿足運行過程中有良好的動態(tài)特性，就需要在保證發(fā)電機輸出電壓適應電網(wǎng)電壓變化的同時，發(fā)電機和電網(wǎng)上產(chǎn)生盡可能低的諧波電流；在提供穩(wěn)定的功率基礎上，具有可控制的功率因數(shù)；在控制系統(tǒng)相對簡便的情況下，使得發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩可控。

3 面向最大功率追蹤的轉(zhuǎn)矩與槳距角控制策略

3.1 變槳控制

由于變槳距系統(tǒng)的響應速度受到限制，對快速變化的風速，通過改變節(jié)距來輸出功率的效果并不理想。因此，為了優(yōu)化功率曲線，其功率反饋信號不再作為直接控制槳葉節(jié)距的變量。變槳系統(tǒng)由風速低頻分量和發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制，風速的高頻分量產(chǎn)生的機械能波動，通過迅速改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來進行平衡，通過電流控制器對發(fā)電機轉(zhuǎn)差率進行控制，即隨著風速變化，調(diào)節(jié)動能形式，是功率曲線達到理想狀態(tài)。變槳距控制機構示意圖如圖 2所示。

圖2 變槳距控制機構

由于自然界風速處于不斷變化中，較短時間內(nèi)的風速上升或下降總是不斷的發(fā)生，因此變槳距機構也在不斷的動作，從而獲得最大的功率輸出。

3.2 機組運行區(qū)域的劃分和控制目標

根據(jù)風速情況以及永磁式直驅(qū)風力發(fā)電機組的功率特性,機組的運行可以劃分成四個區(qū)域,如圖3所示。不同區(qū)域的運行目標不同,轉(zhuǎn)矩和槳距角的控制也各有側重。

圖3 風輪的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

1）第一個區(qū)域為啟動和并網(wǎng)工作區(qū),當風速達到啟動風速時并且機組滿足啟動條件,機組由待機狀態(tài)轉(zhuǎn)入到啟動狀態(tài),在這一階段，沒有轉(zhuǎn)矩控制，槳距角控制目標是保證發(fā)電機轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)上升，在并網(wǎng)時控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持恒定。

2）第二個區(qū)域為最佳葉尖速比工作區(qū)，機組切入電網(wǎng)后運行在額定風速以下的工作區(qū)域，由于此區(qū)域中風速沒有達到額定風速，發(fā)電機送入電網(wǎng)的功率必然小于額定值，所以機組的控制目標是風能的最大捕獲，提高機組的發(fā)電量。

3）第三個區(qū)域為恒轉(zhuǎn)速工作區(qū)，隨著風速的增加，風輪轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速，這時機組進入恒轉(zhuǎn)速區(qū)。在這個區(qū)域內(nèi)，隨著風速增大，發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持恒定，功率在達到極值之前一直增大，這既可以由轉(zhuǎn)矩控制完成，也可以由槳距角控制完成。

4）第四個區(qū)域為恒功率工作區(qū),一旦在T4點達到額定轉(zhuǎn)矩,在所有更高的風速中，轉(zhuǎn)矩給定量基本保持恒定,并由槳距角控制來調(diào)節(jié)風輪的轉(zhuǎn)速。在這一區(qū)域，由于受風電機組各部件機械強度和疲勞強度的限制,主要通過槳距角控制來限制風輪獲取能量，使風力發(fā)電機組保持在額定功率點發(fā)電，因此控制目標是盡可能提高風電機組風能轉(zhuǎn)換效率和保證風電機組獲得平穩(wěn)的功率輸出。

3.3 轉(zhuǎn)矩和槳距角控制策略

如圖4所示,在最佳葉尖速比工作區(qū)和恒轉(zhuǎn)速工作區(qū),系統(tǒng)采用自適應模糊控制實時控制永磁發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩,使發(fā)電機轉(zhuǎn)速跟隨風速的變化,保持最佳葉尖速比,從而實現(xiàn)最大風能捕獲。高風速時,在發(fā)電機轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)矩保持額定轉(zhuǎn)矩,保證吸收功率的穩(wěn)定,實現(xiàn)機組的變速恒頻運行。

在最佳葉尖速比工作區(qū)和恒轉(zhuǎn)速工作區(qū),保持最優(yōu)槳距角不變；在恒功率工作區(qū),系統(tǒng)采用模糊滑模變結構控制通過變槳距執(zhí)行機構控制槳距角的變化,以保證機組的輸出功率在允許范圍之內(nèi),利用風輪轉(zhuǎn)速的變化來存儲或釋放部分能量,以提高功率傳輸鏈的柔性,使機組輸出功率更加平穩(wěn)。

圖4 轉(zhuǎn)矩和槳距控制框圖

4 最大風能捕獲

大部分時間里，風場中風速較低，額定風速以下運行是機組運行的主要工作方式，這種情況下機組的控制目標就是捕獲最大風能，永磁式直驅(qū)風電機組的最大風能捕獲也是針對這一目標提出來的。

設定不同的風速，就可以得到風電機組在不同風速下風力機輸出機械功率和角速度的關系。在某一確定風速下,風力機的功率曲線上有一最優(yōu)轉(zhuǎn)速和最大功率點。在一組不同的風速下風力機的輸出功率特性,將不同風速下的最大功率點連接起來,就得到最佳功率曲線。

5 結語

通過理論分析，本文提出了稀土永磁直驅(qū)風電機組變流電路的主電路拓撲采用不控整流+雙重斬波+兩個PWM并網(wǎng)逆變結構形式；采用變槳距控制系統(tǒng)，面向最大功率追蹤的轉(zhuǎn)矩與槳距角控制；以及系統(tǒng)最大風能捕獲的稀土永磁直驅(qū)風機控制策略，使稀土永磁直驅(qū)風機功率可以得到提高。

[1]陳云程，葉枝全，朱程明. 風力機設計和應用[M]. 上?？萍汲霭嫔纾?994年6月

[2]王承煦,張源. 風力發(fā)電[M]. 北京：中國電力出版社,2003.

[3]院海. 直驅(qū)風機建模及其最大功率跟蹤控制[D]. 新疆大學碩士學位論文,2008.05.

[4]劉穎明. 永磁式直驅(qū)風電機組控制技術研究[D]. 沈陽工業(yè)大學博士學位論文,2011.03.