戚緒南

（華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州450045）

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器控制措施

戚緒南

（華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州450045）

目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、風(fēng)能利用率高、故障率低、穩(wěn)定安全等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。變流裝置是直驅(qū)永磁式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，變流器的控制方式有網(wǎng)側(cè)變流器控制和機(jī)側(cè)變流器控制，本文對(duì)這兩者的控制功能進(jìn)行了分析。

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；機(jī)側(cè)變流器；網(wǎng)側(cè)變流器

目前，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，其具有清潔無(wú)污染、安全可靠的特點(diǎn)。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)工作，經(jīng)由功率變換電路轉(zhuǎn)換電能再并入電網(wǎng)，省略了齒輪箱等中間環(huán)節(jié)，從而減少了許多發(fā)電系統(tǒng)工作人員的維護(hù)工作，并且降低了風(fēng)電系統(tǒng)的噪音，具有可靠性高、重量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn)[1]。

變流裝置是永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電力電子變換環(huán)節(jié)，作用十分重要，既要給電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)電能，又要完成對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制，還要實(shí)現(xiàn)低電壓穿越等功能。直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中變流裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類并不單一，現(xiàn)將使用較多的羅列如下：（1）機(jī)側(cè)部分采用不可控整流+boost升壓，網(wǎng)側(cè)部分采用PWM逆變；（2）在機(jī)側(cè)部分中采用不可控整流，網(wǎng)側(cè)部分中采用PWM逆變；（3）機(jī)側(cè)部分采用相控整流，網(wǎng)側(cè)部分PWM逆變；（4）基于雙PWM控制的具備四象限運(yùn)行能力的功率變流器[2]。目前使用的背靠背雙PWM全功率變流器的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)相對(duì)于前三種來(lái)說(shuō)性能良好而且適用范圍廣泛，這種控制方案也代表著目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 背靠背雙PWM永磁直驅(qū)變流器

與經(jīng)典的二極管不可控整流相比而言，機(jī)側(cè)變流控制器采用PWM整流可以極大地減少發(fā)電機(jī)定子電流中豐富的低次諧波，從而降低了發(fā)電機(jī)損失的銅耗和鐵耗，并且PWM整流器最大的優(yōu)點(diǎn)是可提供接近于正弦的電流，從而使發(fā)電機(jī)側(cè)部分的諧波電流產(chǎn)生頻率減低?？刂葡到y(tǒng)發(fā)揮其功用，令永磁同步發(fā)電機(jī)輸出的頻率、幅值浮動(dòng)的電壓變?yōu)榭捎玫暮泐l電壓，并貼近俘獲最大風(fēng)能的期望。網(wǎng)側(cè)變流控制器工作中希望直流側(cè)電壓始終達(dá)到穩(wěn)定，其網(wǎng)側(cè)d軸和q軸電流處于不斷調(diào)整的狀態(tài)，完成有功及無(wú)功功率的解耦控制，力圖流向電網(wǎng)的無(wú)功功率保持在一定數(shù)值內(nèi)，常規(guī)狀況下，系統(tǒng)處于單位功率因數(shù)狀態(tài)，保障注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)[3]。在風(fēng)力不可控條件下，雙PWM變流器可在最大程度上保障向電網(wǎng)輸送品質(zhì)優(yōu)良的電能，不會(huì)出現(xiàn)電壓失去穩(wěn)定性的狀況，力圖系統(tǒng)始終處于變速恒頻的狀態(tài)，使風(fēng)能更大程度上轉(zhuǎn)化為電能，提升風(fēng)電轉(zhuǎn)化效率，削減風(fēng)電轉(zhuǎn)化過(guò)程中的電機(jī)耗能，變流器需要對(duì)電網(wǎng)的故障具有強(qiáng)大的適應(yīng)能力及隔離能力，確保任何狀況中永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的有序運(yùn)行。

2 網(wǎng)側(cè)變流器控制

在風(fēng)電系統(tǒng)中，網(wǎng)側(cè)變流器的主要功能是達(dá)到對(duì)于直流電壓的穩(wěn)定要求，使輸出功率及輸出并網(wǎng)符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)而言，網(wǎng)側(cè)變流器多數(shù)情況下是在逆變狀態(tài)實(shí)現(xiàn)其功用，其將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的直流電流、電壓逆變?yōu)榻涣麟姡⑶疫_(dá)到輸出并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)側(cè)變流器需對(duì)電網(wǎng)電流實(shí)現(xiàn)控制，有評(píng)價(jià)電流控制性能好壞的標(biāo)志為能否達(dá)到動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)精度高。在此情況下，控制策略一般分以下幾種，第一種間接控制措施是通過(guò)對(duì)變流器橋壁電壓的相位幅值進(jìn)行調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)；第二種直接控制措施就是對(duì)電流進(jìn)行直接調(diào)控從而建立綜合反饋。兩者相比，間接電流控制顯露出了網(wǎng)側(cè)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲緩、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化要求高的弊端，間接電流控制的實(shí)際控制量為變流器交流側(cè)輸出電壓的相位與幅值，不存在電流反饋，如今有被直接控制措施全面代替的趨勢(shì)。直接控制措施采用功率環(huán)取代了電流內(nèi)環(huán)，對(duì)變換器的輸入以及輸出功率進(jìn)行直接調(diào)整達(dá)到平衡，從而更好地穩(wěn)定母線電壓，系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能也更接近理想水平。直接電流控制運(yùn)用的是電流閉環(huán)控制法，對(duì)于電流改變的反應(yīng)較為迅速，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率性都有相當(dāng)限度的提升[4]。落實(shí)到控制方法上來(lái)說(shuō)，直接控制又分為了許多種類，包括PI控制、滯環(huán)控制、重復(fù)控制、比例諧振控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制等，這些方法實(shí)現(xiàn)的難易程度各不相同，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，有時(shí)也會(huì)根據(jù)具體情況將幾種方案結(jié)合以便達(dá)到更好的控制效果。

3 機(jī)側(cè)變流器控制

機(jī)側(cè)變流器所起到的作用是對(duì)電機(jī)進(jìn)行全面控制，需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)能量輸入變流的電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。在對(duì)電機(jī)側(cè)變流器的研究中，同步永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)建模與控制策略是重點(diǎn)。其中控制策略又分為了許多種類，目前使用廣泛的有無(wú)速度傳感器控制、電機(jī)矢量控制、直接功率控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。另一方面，實(shí)行最大功率跟蹤控制可以一定程度上提高風(fēng)能利用率。其中，典型控制原理有葉尖速比法、功率信號(hào)反饋法和爬山法等。葉尖速比法在實(shí)現(xiàn)時(shí)需對(duì)風(fēng)輪上的精確風(fēng)速進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)控制達(dá)到使葉尖速比維持在最優(yōu)值的目的，這種方法比較直觀，但是不同風(fēng)機(jī)存在不同風(fēng)電機(jī)特性，會(huì)對(duì)其最優(yōu)Cp值產(chǎn)生影響，需要具體系統(tǒng)具體分析。功率信號(hào)反饋法控制參考了轉(zhuǎn)速與最大功率之間的關(guān)系，采用不同算法具有不同特點(diǎn)：可檢測(cè)風(fēng)速以代替風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；可應(yīng)用模糊控制；也可利用神經(jīng)元算法修正風(fēng)機(jī)最大功率曲線，最終使得機(jī)組達(dá)到在不同轉(zhuǎn)速下輸出功率能跟隨指令值的目的。爬山法利用頻繁調(diào)整功率指令來(lái)使機(jī)組的輸出功率逐漸靠近最大值。使用這種方法不需要考慮控制算法同風(fēng)機(jī)及發(fā)電機(jī)特性之間的關(guān)系，這是爬山法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于變速風(fēng)機(jī)而言，省去了預(yù)先計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的步驟，能更好的實(shí)現(xiàn)控制。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)技術(shù)成為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域熱點(diǎn)研究方向。本文介紹了采用背靠背雙PWM全功率變流器的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)，研究了直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)以及網(wǎng)側(cè)變流器控制策略，可為后續(xù)學(xué)習(xí)工作和工程實(shí)踐提供參考和借鑒。

[1]王陳晨.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)的研究[D].東北電力大學(xué)，2015.

[2]張 磊，朱凌志，姜達(dá)軍，等.直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組模型構(gòu)建方法及其實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，40（11）：3474-3481.

[3]熊 恒.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究及相關(guān)問(wèn)題闡述[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（26）：202-202.

[4]葉 鷹，王 倩.永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及變流器控制措施[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2016，43（1），26-29.

The Control Measures of Direct-drive Wind Generation System and Converter

QI Xu-nan
（North China University of Water Resources and Electric Power College of Electric Power，Zhengzhou Henan 450011，China）

At present，wind power generation technology has developed rapidly.Permanent magnet direct-drive wind generation system has been widely used because of its simple structure，high utilization rate of wind energy，low failure rate，stability and safety.Converter is an important part of direct-drive permanent magnet wind generation system.The control modes of converter are line side converter control and generator side converter control.This paper analyzes the control function of the converter.

direct-drive wind generation system；line side converter control；generator side converter control

TM46

A

1672-545X（2017）08-0271-02

2017-05-03

戚緒南（1993-），女，河南南陽(yáng)人，碩士在讀，研究方向：新能源發(fā)電。