張巍偉

(天津環(huán)通電子工程有限公司 天津300457)

直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制策略的研究

張巍偉

(天津環(huán)通電子工程有限公司 天津300457)

風能具有隨機性和突變性的特點，而風力機又受限于其機械強度，不易實現(xiàn)最大風能的捕獲。以直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)為例，對實現(xiàn)最大風能捕獲的基本方法進行了論述。

風力發(fā)電 直驅(qū)型 風力機 永磁同步電機

伴隨著科技的快速發(fā)展，發(fā)電機技術、電力電子技術以及軟件開發(fā)應用技術被應用到風力發(fā)電中，進一步推動了風力發(fā)電技術的革新。目前，以雙饋型風力發(fā)電和直驅(qū)型風力發(fā)電為典型代表的變速恒頻風力發(fā)電技術因其可以實現(xiàn)風能的最大功率跟蹤成為當今風力發(fā)電技術的主流。

1 雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)

雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)是由風力機、異步發(fā)電機、增速齒輪箱以及變流器等主要部件構成的。雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的結構簡圖如圖1所示。

圖1 雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of a double-fed wind power generation system

當風速達到風力機的啟動風速時，風力機吸收風能并轉換成機械能，驅(qū)動風機轉軸旋轉。風機轉軸與增速齒輪箱轉軸相連，經(jīng)過一定的升速控制后達到發(fā)電機運行所需轉速，發(fā)電機產(chǎn)生電能。當風力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)并聯(lián)時，通常要求發(fā)電機發(fā)出的電能頻率與電網(wǎng)頻率保持一致，這就需要將發(fā)電機定子與變流器連接，經(jīng)過變流轉換后產(chǎn)生符合電網(wǎng)要求的電能輸入電網(wǎng)。同時，發(fā)電機的轉子也要與變流器相連，以保證發(fā)電機在超過同步轉速時，轉子也處于發(fā)電狀態(tài)。這就是雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理。

雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)通常采用交流勵磁異步發(fā)電機，由于該發(fā)電機的勵磁頻率與轉子轉速有關，這就使雙饋型發(fā)電機的結構不同于普通異步發(fā)電機。與普通異步發(fā)電機相比，該電機在轉子繞組上加有集電環(huán)和電刷，這種結構使它具有異步電機的某些特性而又不完全相同。

1.1 雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點

①該系統(tǒng)對變流系統(tǒng)加上適當?shù)目刂撇呗?，可實現(xiàn)對機側輸出的有功功率和無功功率的解耦控制。②系統(tǒng)需要進行變頻控制的功率僅是發(fā)電機額定容量的三分之一，因此對變頻器的容量要求不高，降低了系統(tǒng)的運行成本。③發(fā)電機轉速可以運行在同步轉速上下 30%的范圍內(nèi)，使轉速調(diào)節(jié)系統(tǒng)結構簡化，并減少了在調(diào)速時系統(tǒng)產(chǎn)生的機械應力，提高了整個機組的運行效率。

1.2 雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)的缺點

①由于雙饋型發(fā)電機的轉子繞組上加有電刷和集電環(huán)，使電機結構比較復雜，電機維護更加困難，同時系統(tǒng)可靠性降低。②在風機與發(fā)電機之間安裝了增速齒輪箱，但齒輪箱價格昂貴，而且在運行過程中會產(chǎn)生很大的噪聲污染及機械損耗，使系統(tǒng)維護更加困難，所需維護費相應增加，降低了系統(tǒng)的運行效率。③由于發(fā)電機系統(tǒng)結構比較復雜，其相應的控制系統(tǒng)就更加復雜。

2 直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)

直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)主要是由風力機、低速永磁同步發(fā)電機、變流器及其控制系統(tǒng)各部分構成。直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)的結構簡圖如圖2。

圖2 直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure of a direct-driven wind power generation system

直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)采用的是低速永磁同步發(fā)電機，該發(fā)電機的優(yōu)點是轉子在轉速不高的情況下就可以產(chǎn)生電能，滿足了風力機即使低速運行也可以與發(fā)電機轉子直接相連的要求。與雙饋型風電系統(tǒng)相比較，除了該系統(tǒng)采用的發(fā)電機類型與雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)不同外，其風力機與發(fā)電機之間取消了增速齒輪箱的安裝，避免了由于安裝增速齒輪箱給系統(tǒng)造成的諸多不利。永磁體成本的降低及電力電子技術的大力發(fā)展，為直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎。

直驅(qū)型風力發(fā)電機的基本運行原理是：風力機與永磁同步發(fā)電機轉子直接相連，風力機將吸收到的風能轉化成機械能后直接傳送給發(fā)電機。由于風速是不斷變化的，因此發(fā)電機發(fā)出的電能是頻率和幅值都在不斷變化的交流電能。我們需要先將這些電能經(jīng)過變流系統(tǒng)的整流器整流后轉換成穩(wěn)定的直流電，再經(jīng)過一定的升壓變換及控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，輸送到變流系統(tǒng)中的逆變器中，最后將直流電轉換成幅值和頻率均符合電網(wǎng)要求的三相交流電，輸送到電網(wǎng)上。

2.1 直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點

①永磁同步發(fā)電機與普通異步發(fā)電機相比，其轉子上沒有勵磁繞組和集電環(huán)，這種結構不僅簡單，更提高了系統(tǒng)的可靠性；同時，在發(fā)電的過程中不會產(chǎn)生銅損，進一步提高了系統(tǒng)的運行效率。②永磁同步發(fā)電機同樣可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制，提高功率因數(shù)。③和雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)相比，直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)由于去掉了齒輪箱，不僅使得系統(tǒng)結構簡單，提高了系統(tǒng)的可靠性，更避免了由于使用齒輪箱而產(chǎn)生的噪聲污染、機械損耗以及由此引發(fā)的高額系統(tǒng)維護費用。④與雙饋型風力發(fā)電系統(tǒng)相比，直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)具有較好的低電壓穿越能力，系統(tǒng)可靠性更高。

2.2 直驅(qū)型風力發(fā)電系統(tǒng)的缺點

①永磁體價格昂貴，大大增加了系統(tǒng)的運行成本。②系統(tǒng)需要進行變頻控制的功率與發(fā)電機額定容量相等，故對變頻器的容量要求較高。③永磁同步發(fā)電機體積通常比較龐大，且隨著近年來風力發(fā)電機組容量的不斷增大，發(fā)電機輸出額定功率也在不斷增大，永磁同步發(fā)電機的體積相應增大，定子繞組絕緣等級要求增高。

然而，隨著近十幾年永磁體成本的大幅降低及全功率電力電子變流器容量的不斷增大，使直驅(qū)型風力發(fā)電機組逐步改進，相對于雙饋型風力發(fā)電機組的優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)出來，因此這種機型越來越受到國內(nèi)外研究學者的共同關注，成為當今風電領域最具發(fā)展?jié)摿Φ娘L力發(fā)電機組。

3 實現(xiàn)最大功率跟蹤的MPPT算法

目前人類需要迫切尋找綠色環(huán)保的新能源作為化石能源的替代物，但由于風能具有隨機性和突變性的特點，因此對于最大風能的捕獲也比較困難。MPPT(Maximum Power Point Tracking)算法是實現(xiàn)最大風能捕獲的基本方法。目前國內(nèi)外研究中的MPPT算法有很多，針對各風電場的不同情況，采用不同規(guī)格的風力發(fā)電機組，這些發(fā)電機組的拓撲結構不同，所采用的 MPPT算法也不相同，但歸納起來主要包括以下4種：

3.1 葉尖速比法

這種控制方法的基本原理是：系統(tǒng)安裝實時測量風速和風力機轉速的裝置，根據(jù)葉尖速比計算公式計算出實時的葉尖速比值。將該值與系統(tǒng)給定的最佳葉尖速比λopt進行比較，將差值作為系統(tǒng)控制單元的輸入，經(jīng)控制單元調(diào)節(jié)，發(fā)出適當?shù)目刂菩盘?，使風電系統(tǒng)一直工作在最佳葉尖速比的工作狀態(tài)下，從而實現(xiàn)風能的最大功率跟蹤。其控制示意圖如圖3所示：

圖3 葉尖速比法控制框圖Fig.3 Block diagram of the tip speed ratio method

該種控制方法的優(yōu)點是簡單，但由于必須加裝實時的風速以及電機轉速測量裝置，因而增加了系統(tǒng)的復雜性。同時由于這兩種裝置很難實現(xiàn)對風速和轉速的精確測量，因此會對系統(tǒng)造成一定誤差，難以準確實現(xiàn)風能的最大功率跟蹤。

3.2 功率曲線法

這種控制方法的基本原理是：系統(tǒng)需要安裝風力機轉速及風力機輸出機械功率的測量裝置，測量在不同風速下風力機的轉速ω和風力機輸出機械功率P，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)可以得到系統(tǒng)的最大功率輸出曲線。將某一風輪轉速對應的風力機最大輸出功率與實際測得的輸出功率作對比，將其差值作為功率控制器的輸入信號，調(diào)節(jié)風力機輸出，從而使系統(tǒng)運行在最大功率點狀態(tài)下。其控制示意圖如圖4所示：

圖4 功率曲線法控制框圖Fig.4 Block diagram of the power curve method

這種控制方法的缺點是控制系統(tǒng)復雜，且必須對每臺風力機進行測試。

3.3 爬山搜索法

這種控制方法的基本原理是：將當前檢測到的功率與上次檢測到的功率進行對比，如果比較的結果為正，則保持上一次指令的更新方向；反之，則改變指令的更新方向。這樣反復比較最終跟蹤到系統(tǒng)的最大功率點，并使系統(tǒng)保持在該點附近反復變化。其控制示意圖如圖5所示：

圖5 爬山搜索法控制框圖Fig.5 Block diagram of the climbing search method

這種控制方法用相關指令代替了檢測信號。與前兩種控制方法相比，該方法不需要知道風力機的準確特性，控制簡單靈活。但如果該系統(tǒng)應用于大功率場合，由于系統(tǒng)的慣性較大，因此控制效果會不太理想。

3.4 智能控制法

隨著智能控制理論的發(fā)展，以模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制為代表的智能控制技術不斷引入到風電控制系統(tǒng)中。MPPT模糊邏輯控制器可以在天氣多變的條件下進行工作，然而它的有效性很大程度上取決于使用者的經(jīng)驗或選擇正確的誤差計算并用一個模糊表格來實現(xiàn)跟蹤。神經(jīng)網(wǎng)絡法跟蹤最大功率點的效果取決于隱含層采用的算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡被訓練的程度。由于風力機的特性會隨著時間而改變，為了保證跟蹤的準確性，神經(jīng)網(wǎng)絡必須進行周期性訓練。

4 結 論

在大力開展風能利用的今天，風力發(fā)電機組的發(fā)電量正在不斷增加，對風力發(fā)電機組可靠性和效率的要求也在不斷提高。此外，并網(wǎng)運行的風力發(fā)電機組單機容量從最初的數(shù)十千瓦級已發(fā)展到現(xiàn)在的兆瓦級；控制方式從基本單一的定槳距失速向全槳葉變距和變速恒頻發(fā)展。隨著智能控制型風力發(fā)電機組的出現(xiàn)與應用，系統(tǒng)運行的可靠性從20世紀80年代初的50%提高到現(xiàn)在的95%以上，并且在風電場運行的風力發(fā)電機組全部可以實現(xiàn)集中控制和遠程控制。根據(jù)今后的發(fā)展趨勢，風電場將從內(nèi)陸轉移到海上，其發(fā)展空間將更加廣闊。

［1］ 王志華，李亞西，趙棟利，等. 變速恒頻風力發(fā)電機最大功率跟蹤控制策略的研究[J]. 可再生能源，2005(2)：16-19.

［2］ 姚駿，廖勇，瞿興鴻，等. 直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機的最佳風能跟蹤控制[J]. 電網(wǎng)技術，2008，32(5)：18-23.

［3］ 吳迪，張建文. 變速直驅(qū)永磁風力發(fā)電機控制系統(tǒng)的研究[J]. 大電機技術，2006(6)：51-55.

［4］ 雷亞洲，Lightbody G. 國外風力發(fā)電導則及動態(tài)模型簡介[J]. 電網(wǎng)技術，2005，29(12)：27-32.

［5］ 任永峰，安中全. 雙饋式風力發(fā)電機組柔性并網(wǎng)運行與控制[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009：76-79.

Strategy of Maximum-power-point Tracing and Controlling for the Direct-driven Wind Power Generation System

ZHANG Weiwei
(Tianjin Huantong Electronical Engineering Co., Ltd.，Tianjin 300457，China)

Due to the randomness and discontinuity，as well as the limitation of wind turbines，wind power can not be captured at the maximum extent. The paper took an example of direct-driven wind power generation system to discuss on basic ways of achieving the maximum wind power.

wind power；direct-driven；wind turbine；PMSM

TK83

A

1006-8945(2014)06-0065-03

2014-05-09