变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制

变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制
发布时间：2021-01-27T02:31:36.116Z 来源：《中国电业》（发电）》2020年第24期作者：王斌
[导读] 文以变速恒频风力风电机组为例，对其最大风能追踪的总控制与矢量控制过程进行了分析。

甘肃龙源风力发电有限公司兰州 737000
摘要：随着科技进步，社会不断发展，同时伴随着环境污染的严重，不可再生能源的减少，政府开始实行并坚持可持续发展战略，有效利用清洁能源，重点发展对可持续能源的利用，例如风能，水能，太阳能等。

伴随着风力发电的盛行，全面提升风力发电机组的运行可靠性和稳定性成为风力发电技术研究的热点问题，最大风能追踪控制成为研究的重点。

文以变速恒频风力风电机组为例，对其最大风能追踪的总控制与矢量控制过程进行了分析。

关键词：变速恒频；风力发电系统；最大风能追踪控制；可再生能源
一、变速恒频风电机组
1.1变速恒频风电机组
风能已成为电力系统增长最快的绿色能源和全球发展最快的可再生能源。

变速恒频风电作为20世纪逐渐发展起来的全新的发电形式，其最大风能追踪控制成为了现在众多学者研究探讨的重要对象。

同时，在现代，变速恒频风电机组已经成为了主流的风力发电机组。

当风速处于额定风速以下时，对于变速恒频风电机组而言，尽可能的提高能量转换效率是主要的目标，这主要通过发电机转矩的控制，使机组变速运行来实现。

变速恒频风电系统的矢量控制图如图一所示。

目前，变速恒频风电机组作为主流的风力发电机组，风电机组有不同于通常机械系统的特性：风电机组的动力源是不可测的自然风能，其发电系统最大风能追踪控制成为了核心问题，同时也是最难解决的问题，是众多学者讨论研究的热点，也是本文要阐述的核心问题。

图1 变速恒频风电系统的矢量控制图
1.1.1简介
交流励磁变速恒频发电在风力﹑水力等可再生能源的开发利用中发挥作用巨大，得到了极大的重用，尤其在风力发电中得到了广泛的应用。

与恒速恒频发电技术相比，变速恒频风力发电技术具有显著的优越性，首先极大的提高了风能转换效率，显著降低了由风施加到风力机上的机械应力，减少了能源的损耗；其次通过对发电机输出的有功功率得控制来合理调整电磁转矩与转速，使电机转速改变，从而在风速变动的情况下确保最佳叶尖速比的恒定，实现了变速下的恒频运行，通过矢量变换控制还能实现输出有功和无功功率的解耦控制，提高电力系统调节的灵活性和动﹑静态稳定性。

1.2设计目标
（1）在尽可能提高机组的发电能力的同时，为机组各部件留有充分的安全余量，同时兼顾供电质量。

（2）尽可能提高转换效率，提高发电的效率
（3）以发电机转矩控制来实现快速的调节作用，通过变桨调节与变速调节的协同控制来保证稳定的能量输出。

1.3控制特点
变速恒频风力发电机组的基本控制策略是采用不同控制的方法对发电机组进行不同的操作，实现在不同的风速段、不同的工作条件下使发电机组的运行状态达到预期的效果。

风电机组涉及众多学科领域的知识，空气动力学是风电机组控制系统设计的基础；结构动力学是其进行优化控制的关键，其中还涉及到了机械传动学、电工电子学、自动化等多个学科的知识，是一项综合技术。

风力发电足迹一方面要监视发电足迹、风能状况和电网在正常运行时的参数，又要根据风向、风速的变化，对发电机组进行算法上的优化控制，从而进行高效运行。

其理想的运行控制目标包括但不仅限于以下几个目标：
（1）减小传动链的转矩峰值；
（2）通过动态阻尼来抑制传动链振动；
（3）避免过量的变桨动作和发电机转矩调节；
（4）通过控制风电机组塔架的振动尽量减小塔架基础的负载；
（5）避免轮毂和叶片的突变负载。

这些目标有些相互间存在冲突，所以控制的设计过程需要进行相互权衡，实现最优化设计。

二、风力机最大风能捕获控制机理
最大风能捕获原理：目前已经掌握的最大风能捕获控制算法有三种，最佳叶尖速比法、功率反馈法和爬山法。

2.1最佳叶尖速比法
这是最常用的一个控制方法。

叶尖速比=叶片尖端速度÷风接触叶片之前很远距离上的速度，是表述风电机特性的一个不可或缺的参数。

风能与风速成一定的比例关系即风能与风速三次方成正比。

当风速开始变化时，如果风力机能够作变速运行，这样将大大提高风能的利用效果。

主要是风力机的风能利用系数CP在某一确定的风轮叶尖速比λ下将达到最大值，如图1所示。

图3交流励磁双馈发电机变速恒频发电系统
2.3爬山法
爬山算法是数学建模中算法的一种，是一种局部择优的方法，有人戏称其为一种简单的贪心搜索算法，该算法每次从当前解的临近解空间中选择一个最优解作为当前解，直到达到一个局部最优解。

但缺点在于会陷入局部最优解，不一定能搜索到全局最优解。

而爬山法的应用需要实时检测相配合，要明确风力机的转速，同时还要明确输出功率是多少，把数学模型应用于其中，使电机在最大功率点上工作，这种方法具有局限性，为了捕获最大功率点需要耗费大量的时间，由于存在这种延迟性，对控制精度产生不利影响。

三、小结
3.1风力发电组的发展前景
传统能源的使用，包括之前的滥采滥伐，对自然环境造成了不小的损伤，人类自然也付出了惨痛的代价，包括身体的健康，当地的环境污染，从汞污染到酸雨到气候变化，无一不展示了可持续发展的迫切性和重要性。

随着科技发展，可持续发展战略作为科学发展观之一，成了我国发展所坚持的重要战略。

而去多可再生能源，例如风电还不需要政府的扶持，在坚持可持续发展的同时为政府节约了一大笔
经费。

毋庸置疑，风电拥有广阔的发展前景，在世界各个国家都具有良好的发展潜力，不仅能推动经济发展，还能带动整个国家的就业率，实属业界良心。

随着科技的发展，尤其在20世纪末期，变速恒频发电技术被研发出来并日渐成熟，这是一种新型发电方式，把电力电子技术矢量变换控制技术应用于其中，与微机信息处理技术相结合，被纳入发电机控制之中，在传统发电理论中，只有做到恒速才能恒频，而新技术的应用打破了这一传统理论，使得恒频得以实现，被广泛应用于变水头水力发电、飞机、汽车等变速主轴驱动的发电与能量随机变化的风力发电中，并表现出强大的优势，成为了当前电力研究技术中的重点研究对象。

3.2未来与展望
为了进一步提高风力发电效率，不断降低成本，坚持可持续发展战略，风力发电会逐步向以下几个方向发展：
1）发电机组逐渐大型化，可以建在海面上，视野开阔，且减少了占地面积实现并网成本费用降低，能够提高风能的利用效率。

2）采用变桨距和变速恒频技术。

变桨距和变速恒频技术能够为大型风力发电机控制提供相关技术保障，且能够减小风力发电机的体积、重量和成本，进而提高发电量，使风能利用率提高及电能质量改善。

3）实现风力发电机直接驱动。

直接驱动能够代替齿轮箱，可减少能量损失、降低发电成本和减小噪声，进而提高效率和可靠性。

4）对风力发电机实现无刷化。

无刷化不仅可提高系统的运行可靠性，还能够达到免维护和提高发电效率的效果。

5）实现智能化控制。

通过采用先进的模糊控制、神经网络、模式识别等智能控制方法，能够有效克服风力发电系统的参数时变与非线性因素。

6）实现磁力传动技术和磁悬浮技术，使电机能够“轻风起动，微风发电”。

总之，随着科技的迅速发展，风力发电技术正在日益成熟，人类必将迎来清洁能源广泛应用的美好时代。

参考文献
[1]赵硕伟.变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制[J].内蒙古科技与经济,2018(03):107.
[2]余梦.变速恒频风力发电系统最大风能捕获控制研究[D].湖北工业大学,2013.。