張陸路

摘要：伴隨著石油、煤炭等傳統(tǒng)性能源產(chǎn)量的不斷減少，發(fā)展可再生能源成了各國(guó)不容忽視的能源戰(zhàn)略。伴隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身容量的逐步加大，全面提升機(jī)組的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，最大風(fēng)能追蹤控制成為研究的重點(diǎn)。文章以變速恒頻風(fēng)力風(fēng)電機(jī)組為例，對(duì)其最大風(fēng)能追蹤的總控制與矢量控制過(guò)程進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：變速恒頻；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；最大風(fēng)能追蹤控制；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；可再生能源 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM621 文章編號(hào)：1009-2374（2015）34-0119-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.34.061

變速恒頻發(fā)電作為20世紀(jì)逐漸發(fā)展起來(lái)的全新的發(fā)電形式，集電力電子技術(shù)、微機(jī)信息處理技術(shù)與矢量變換控制技術(shù)于一體，并將其應(yīng)用到發(fā)電機(jī)控制中，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)發(fā)電概念中所認(rèn)為的只有恒速才可恒頻的想法，被廣泛應(yīng)用于變水頭水力發(fā)電、飛機(jī)、汽車等變速主軸驅(qū)動(dòng)的發(fā)電與能量隨機(jī)變化的風(fēng)力發(fā)電中，并表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，成為了當(dāng)前電力研究技術(shù)中的重點(diǎn)研究對(duì)象。

1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能追蹤的總體控制

結(jié)合風(fēng)力非發(fā)電機(jī)組本身特性，可把風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分成Cp恒定區(qū)、功率恒定區(qū)與轉(zhuǎn)速恒定區(qū)三個(gè)不同區(qū)域，且不同區(qū)域也有著不同特性，需采取不同控制策略，就風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效控制，區(qū)分各區(qū)域很有必要，特別是對(duì)最大風(fēng)能追蹤控制的實(shí)現(xiàn)更是有著重要作用。

1.1 Cp恒定區(qū)

該區(qū)域一般為非風(fēng)力機(jī)組中的低風(fēng)速運(yùn)行區(qū)，整個(gè)機(jī)組依靠廠家所提供的原功率轉(zhuǎn)速曲線控制。由最佳輸出功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系式得出，在測(cè)量到轉(zhuǎn)速信號(hào)后，就可求出最大輸出功率的給定參考值，并將同實(shí)際測(cè)量的機(jī)組輸出功率反饋偏差對(duì)比分析，借助PI調(diào)節(jié)器控制機(jī)組來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速，就可使風(fēng)力機(jī)跟蹤最大功率呈曲線運(yùn)行。假設(shè)原有風(fēng)速為，而風(fēng)力機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行情況下，其最大功率區(qū)曲線的E點(diǎn)，且風(fēng)力機(jī)的輸入機(jī)械功率就能同發(fā)電機(jī)的輸出電功率保持平衡；另外，倘若某一時(shí)刻的風(fēng)速變成了，與此同時(shí)風(fēng)力機(jī)的輸入機(jī)械功率也在逐漸變小，且風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行曲線也從E點(diǎn)轉(zhuǎn)至到風(fēng)速下運(yùn)行的功率曲線的D點(diǎn)，相應(yīng)的風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率則從Pe轉(zhuǎn)為Pd，這時(shí)由于受到大機(jī)械慣性與控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后的影響，發(fā)電機(jī)的輸出電功率會(huì)依舊在E點(diǎn)運(yùn)行，這樣一來(lái)，發(fā)電機(jī)的輸出功率就會(huì)略大于其輸入機(jī)械功率，而且過(guò)剩的功率也會(huì)使得其轉(zhuǎn)速有所減緩，再結(jié)合風(fēng)力機(jī)特性曲線可知，緊隨風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的逐步減緩，其輸入機(jī)械功率將沿著轉(zhuǎn)速功率曲線而不斷上升，相應(yīng)的，輸出功率則沿著最大功率曲線而不斷下降，最后兩者在C點(diǎn)相交，且發(fā)電機(jī)同風(fēng)力機(jī)也將在C點(diǎn)再次持平，而且參照這個(gè)原理也可得出風(fēng)速突然增加的時(shí)候最大風(fēng)能的追蹤

過(guò)程。

圖1 最大功率同風(fēng)輪轉(zhuǎn)速

1.2 轉(zhuǎn)速恒定區(qū)

倘若維持最大風(fēng)能，借助系數(shù)或是最佳葉尖速比恒定，緊隨風(fēng)速的不斷加大，風(fēng)力轉(zhuǎn)速也將漸漸增大，而后在達(dá)到額定功率之前，該發(fā)電機(jī)就會(huì)首先到達(dá)轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，而在進(jìn)入到轉(zhuǎn)速恒定區(qū)后，其發(fā)電轉(zhuǎn)速就會(huì)維持在一個(gè)水平，不會(huì)受到風(fēng)速的影響。在該運(yùn)行區(qū)域中，風(fēng)機(jī)就不是在最佳葉尖速比下運(yùn)行，加之轉(zhuǎn)速恒定，故緊隨風(fēng)速的不斷增大，將逐漸減小，但減小幅度不大。圖2就是雙饋異步電機(jī)于轉(zhuǎn)速恒定區(qū)域時(shí)的控制原理，其中n表示轉(zhuǎn)速當(dāng)前值，△n為設(shè)定轉(zhuǎn)速增量，是轉(zhuǎn)速限定值。

1.3 功率恒定區(qū)

轉(zhuǎn)速恒定后，伴隨風(fēng)速的加大，即便風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速未加大，但因風(fēng)機(jī)所吸收功率同風(fēng)速存在的立方關(guān)系，使得風(fēng)機(jī)吸收機(jī)械功率與輸出電功率不斷增加，最終致使整個(gè)風(fēng)機(jī)大功率達(dá)到極限值。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)機(jī)進(jìn)入到功率恒定區(qū)后，緊隨風(fēng)速的不斷增加，只有借助風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低來(lái)降低Cp值，才能減少風(fēng)機(jī)所吸收的機(jī)械功率，才能減少風(fēng)機(jī)各部件所需承擔(dān)的機(jī)械應(yīng)力。如圖3就是恒定功率的實(shí)現(xiàn)，而在實(shí)際應(yīng)用中，因風(fēng)機(jī)本身慣性較大，故多以恒定速度來(lái)降低其轉(zhuǎn)速，以此來(lái)控制動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的速度，這樣一來(lái)，轉(zhuǎn)速降低時(shí)，也不會(huì)因釋放太多功率而給變流器與發(fā)電機(jī)帶來(lái)的負(fù)擔(dān)，縮短風(fēng)機(jī)使用壽命。

圖3 功率恒定區(qū)控制

策略圖 圖4 變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的

矢量控制圖

2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)速跟蹤的矢量控制

要想做到最大風(fēng)能追蹤控制，就需適當(dāng)加大風(fēng)機(jī)輸入機(jī)械功率，即加大電機(jī)輸出有功功率，而這就需要對(duì)雙饋異步電機(jī)開(kāi)展輸出有功與無(wú)功功率的解耦控制。在這里可將交流電機(jī)中所用到的“矢量變化控制思想”導(dǎo)入其中，并由此推導(dǎo)出“定子磁鏈定向矢量變換關(guān)系”。即結(jié)合“坐標(biāo)變換理論”，以形成等同“旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)”為原則，把三相坐標(biāo)系中的交流量借由三相兩相轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У膬上囔o止坐標(biāo)系中的交流電流，進(jìn)而借助旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)將其轉(zhuǎn)換成具備一定旋轉(zhuǎn)速度的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流電流，由此定轉(zhuǎn)子電流就被分解為了轉(zhuǎn)矩分量與勵(lì)磁分量?jī)煞N，并對(duì)其展開(kāi)分別控制處理，則可完成對(duì)雙饋異步電機(jī)的“解耦控制”。同時(shí)因雙饋異步電機(jī)中的定子繞值是同大電網(wǎng)直接連接的，故在電網(wǎng)穩(wěn)定的時(shí)候，其定子電壓就為一個(gè)恒定值，基于此，變速恒頻雙饋異步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)一般多采用的是定子磁鏈定向形式或是電網(wǎng)電壓定向形式，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上借助定子磁鏈定向矢量控制技術(shù)，在變流器系統(tǒng)內(nèi)把網(wǎng)測(cè)變流器的定向形式轉(zhuǎn)化為基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制技術(shù)。而且因這個(gè)系統(tǒng)選用的為雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中外環(huán)是功率環(huán)，而內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，分別借助電流互感器與電壓互感器測(cè)定其電壓與電流值，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得出有功與無(wú)功功率反饋值，繼而結(jié)合電流互感器所檢測(cè)到的信號(hào)，展開(kāi)磁鏈觀測(cè)計(jì)算，獲得定子磁鏈值與同步轉(zhuǎn)速，再借助編碼器獲得轉(zhuǎn)速信號(hào)與之前所獲值，分別求得參考功率與電壓補(bǔ)償，其中無(wú)功功率的參考值可具體結(jié)合電網(wǎng)需求來(lái)設(shè)定或是借由雙饋異步電機(jī)消耗無(wú)功率來(lái)求得。如圖4就是系統(tǒng)的適量控制圖，先對(duì)比分析風(fēng)機(jī)參考有功功率、無(wú)功功率同反饋值差值，借助PI調(diào)節(jié)器對(duì)差值加以調(diào)節(jié)，得出定子電流參考值，并求得轉(zhuǎn)子參考電流值，而后再通轉(zhuǎn)子側(cè)電流反饋值對(duì)比分析得出差值，并借助PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得出系統(tǒng)解耦項(xiàng)，最后經(jīng)交叉耦合補(bǔ)償，得到轉(zhuǎn)子參考電壓的無(wú)功與有功分量，把電壓借由坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，后輸入PWM交流器，以此來(lái)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而這也是“風(fēng)速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的適量控制過(guò)程”。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，關(guān)于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能追蹤控制，其實(shí)就是通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出有功功率的控制來(lái)合理調(diào)整其電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，進(jìn)而在風(fēng)速變動(dòng)的情況下確保最佳葉尖速比的恒定，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率曲線的動(dòng)態(tài)追蹤。而且，文章把定子磁場(chǎng)定向矢量變換控制技術(shù)用到了雙饋型的異步發(fā)電機(jī)控制上，結(jié)果得到了發(fā)電機(jī)無(wú)功與有功功率的解耦控制能力，從而為追蹤并獲得最大風(fēng)能提供了有利條件。

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（責(zé)任編輯：秦遜玉）