陳西海

(中廣核新能源吉林分公司，吉林 白城 137000)

0 引言

伴隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)受到了廣泛關(guān)注，能在實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制的同時，建立變槳距控制發(fā)電系統(tǒng)應用模式，能為清潔能源技術(shù)應用和輸出功率平滑優(yōu)化創(chuàng)設(shè)良好的平臺。

1 直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

交流勵磁雙饋發(fā)電機和直驅(qū)永磁同步發(fā)電機是大功率風力發(fā)電體系中的關(guān)鍵技術(shù)組成部分，而交流勵磁雙饋發(fā)電機最大的弊端就在于，風力設(shè)備和發(fā)電機之間要利用齒輪箱完成連接，而大功率、大容量的齒輪箱造價較為高昂，加之維護成本較大、故障率較高，使得交流勵磁雙饋發(fā)電機的技術(shù)發(fā)展遭遇了難題。而直驅(qū)永磁同步發(fā)電機不僅能實現(xiàn)變速運行，還能配合變槳距調(diào)解處理而提升效率，因此，其推廣范圍在逐步擴大。

1.2 組成

按照控制系統(tǒng)對直驅(qū)永磁同步發(fā)電機進行分析，其主要有3個系統(tǒng)，如表1所示。

表1 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)

按照零件劃分，直驅(qū)永磁同步發(fā)電機主要包括風機、直驅(qū)永磁發(fā)電機、不控整流、boost電路、直流側(cè)儲能電容以及PWM逆變器和交流側(cè)濾波電抗器。應用不控整流電路，是因為其結(jié)構(gòu)模式較為單一，且功率因數(shù)較高，而boost電路能實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制，借助PWM逆變器完成并網(wǎng)控制以及對應功率參數(shù)的解耦處理，就能保證諧波輸出的穩(wěn)定性，有效降低網(wǎng)側(cè)電流的畸變率，并且將開關(guān)頻率設(shè)定為低于二電平變流器，減少開關(guān)損耗，最大程度上優(yōu)化其運行效果[1]。

1.3 功率特性

依據(jù)直驅(qū)永磁同步發(fā)電機組轉(zhuǎn)矩傳輸?shù)臋C械結(jié)構(gòu)特征可知，若是在實際應用過程中，不計量風力機旋轉(zhuǎn)軸承的機械損耗以及定子電樞繞組的電阻損耗，風力機的實際輸出機械轉(zhuǎn)矩和直驅(qū)永磁同步發(fā)電機輸出的電磁轉(zhuǎn)矩是相同的。即在理想狀態(tài)下，風力機和直驅(qū)永磁同步發(fā)電機機械特性、功率特性能保持相同水準。

直驅(qū)永磁同步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩曲線(見圖1)中電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。在轉(zhuǎn)速逐漸增大的情況下，直驅(qū)永磁同步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩先增大，到最大電磁轉(zhuǎn)矩點M后隨著轉(zhuǎn)速增大逐漸降低。而在特性曲線(見圖2)中，在最大功率點M左邊輸出功率的增量和發(fā)電機側(cè)變流器占空比增量呈現(xiàn)出的是正比例關(guān)系，在M點位置占空比為零，對應的情況下，當驅(qū)永磁同步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速呈反比的情況下，輸出功率會隨著占空比量的增加而逐漸降低[2]。

圖1 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)矩特性曲線

圖2 功率特性曲線

2 直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)功率控制策略

2.1 網(wǎng)側(cè)變流器控制

在網(wǎng)側(cè)變流器控制環(huán)節(jié)中，要將維持直流母線電壓參數(shù)的恒定數(shù)值作為關(guān)鍵，確保其能有效且穩(wěn)定地實現(xiàn)電網(wǎng)有功功率的傳輸處理。與此同時，有效借助無功電流環(huán)對網(wǎng)側(cè)變換器予以控制，建立無功功率的輸出處理，確保電網(wǎng)對無功功率的要求得以滿足。

1)要設(shè)定三相電網(wǎng)的電壓參數(shù)和網(wǎng)側(cè)線路總電阻，并且，設(shè)定Em表示相電壓峰值、ω表示電網(wǎng)角頻率，進行旋轉(zhuǎn)坐標系后就能獲取對應的數(shù)學模型：

式中，ud表示的是逆變器輸出電壓在旋轉(zhuǎn)坐標系內(nèi)d軸的電壓、uq表示的是逆變器輸出電壓在旋轉(zhuǎn)坐標系內(nèi)q軸的電壓。id表示的是逆變器輸出電壓在旋轉(zhuǎn)坐標系內(nèi)d軸的電流、iq表示的是逆變器輸出電壓在旋轉(zhuǎn)坐標系內(nèi)q軸的電流。ed表示的是同側(cè)電壓在旋轉(zhuǎn)坐標系內(nèi)d軸的電壓、eq表示的是同側(cè)電壓在旋轉(zhuǎn)坐標系內(nèi)q軸的電壓[3]。

2)利用電網(wǎng)電壓合成矢量定向控制的方式，設(shè)定ed和Em相等、eq=0，將其帶入數(shù)學模型，忽略平波電抗器的電阻，就能獲取最終的數(shù)值，實現(xiàn)d軸和q軸電流分量的解耦控制，也就完成了電流有功分量和電流無功分量的解耦處理。

3)正是基于經(jīng)典的d軸和q軸解耦操作，配合簡化的矢量控制，就能完成電網(wǎng)電流分量的處理，與此同時，配合電流PI調(diào)節(jié)器建立閉環(huán)控制模式，確保給定數(shù)值能在逆變側(cè)輸出電壓處理后，配合SVPWM控制逆變器輸出三相電壓。

2.2 boost電路控制

Boost升壓電路是非常常見的基本斬波電路之一，配合開關(guān)直流升壓電路，就能有效實現(xiàn)輸出電壓高于輸入電壓，從而為直流電源應用處理予以控制。在直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)功率控制工作中，boost電路也具有重要的應用價值。在風輪機實際運行過程中，結(jié)合空氣力學的相關(guān)運行原理可知，分輪機自身輸出功率為P=CpρAv3/2，其中，P表示的是整個風機實際的輸出功率、ρ代表的是所處環(huán)境下空氣的密度、A表示的是風機轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)過程的掃掠面積、v表示所處環(huán)境的風速、Cp表示風輪功率系數(shù)。結(jié)合公式可知，不同轉(zhuǎn)速環(huán)境下，風力機設(shè)備的實際輸出功率會有所差異，要想獲取最大風能就要在變化過程中對轉(zhuǎn)速予以實時性調(diào)控，以確保葉尖速比能滿足實際應用要求。

2.2.1 基于典型運動的調(diào)節(jié)控制

1)在低風速環(huán)境中進行變速運行控制，首要條件是維持恒定的風輪功率系數(shù)，對轉(zhuǎn)速予以調(diào)節(jié)的同時，保證轉(zhuǎn)速達到運行極限，配合最佳功率曲線要求，就能獲取發(fā)電機組最高轉(zhuǎn)速效率。

2)若是風力機處于額定轉(zhuǎn)速環(huán)境，但是風速在不斷變化，此時，就要調(diào)整轉(zhuǎn)速獲取最佳風輪功率系數(shù)，確保風力機能滿足最大功率輸出要求。

3)若是在高于額定風速的環(huán)境下運行，那么就要借助變槳距系統(tǒng)對槳葉間距予以調(diào)控，從而限制風力機獲取對應的能量，確保能逐漸趨于輸出功率的極限并穩(wěn)定運行。

2.2.2 基于占空比的調(diào)節(jié)控制

在恒壓控制狀態(tài)下，續(xù)流電感電流參數(shù)就會直接影響直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)功率參數(shù)，因此，要利用對應的處理方式完成相應工作，確保雙閉環(huán)控制系統(tǒng)運行的合理性。即建立速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)并行的處理工序，確保最大功率曲線狀態(tài)下獲取最優(yōu)轉(zhuǎn)速，將其設(shè)定為整定數(shù)值，配合發(fā)電機調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速過程，并應用PI調(diào)節(jié)器進行續(xù)流電感電流的計算分析，從而獲得有效的控制結(jié)果。

另外，還可以借助轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)發(fā)電機的槳距角，有效實現(xiàn)變槳距調(diào)控處理，保證控制流能滿足控制算法的具體標準，維持調(diào)節(jié)控制的合理性。

2.3 效果

應用boost控制和網(wǎng)側(cè)變流器并行的控制處理模式，在低速運行狀態(tài)下，有功功率會隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化呈現(xiàn)出較為理想的調(diào)控狀態(tài)，實現(xiàn)最大風能捕捉。而在高速運行環(huán)境下，有功功率較為穩(wěn)定，始終在額定功率參數(shù)附近，并且配合槳距角風速作用下的及時性調(diào)整，也能完成功率的解耦控制，效果較好。

3 結(jié)語

在直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)功率控制工作中，要明確控制要求和內(nèi)容，確保分析比較的合理性和可控性，發(fā)揮網(wǎng)側(cè)變流器應用效能，配合boost控制和變槳距控制模式，就能有效提升能源轉(zhuǎn)換效率。