风力发电技术与功率控制策略初探 赖红宇

风力发电技术与功率控制策略初探赖红宇

发表时间：2018-06-08T11:15:46.230Z 来源：《基层建设》2018年第7期作者：赖红宇

[导读] 摘要：随着能源危机的加剧，再生能源成为我们关注的重点，双馈感应发电机风力发电技术具有安全性高、变换器的容量小和可靠性高等优点，已成为当今的主流发电技术。

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摘要：随着能源危机的加剧，再生能源成为我们关注的重点，双馈感应发电机风力发电技术具有安全性高、变换器的容量小和可靠性高等优点，已成为当今的主流发电技术。文章对风力发电技术的现状进行了介绍，对风力发电的控制技术发展进行了阐述，通过分析，并结合自身实践经验和相关理论知识，对变速恒频双馈异步发电系统的网侧变换器直接功率控制策略进行了探讨。

关键词：风力；发电技术；功率控制

1 风力发电技术

风力发电技术是一种将风能转换成电能的技术，其中风力发电机组起着决定性的作用。我国是一个风能资源蕴藏量大国，因此集中力量开发风能资源已成为我国新能源开发的重要环节，甚至已制定出2020年风电发展目标（8.0*1010W）。随着时代的发展，我国风力发展技术也呈现出应有的发展态势，例如风电机组单机容量向大容量方向发展、风电场向海上风电方向发展、风力发电机组运行方式向变桨及变频恒频方向发展、风力发电机向无齿轮箱直驱式方向发展等。本章节主要针对后两项内容展开论述，以探明我国风力发电技术的发展态势。

1.1 风力发电机组运行方式向变桨、变频恒频方向发展

与风力发电机组的恒速运行方式相比，变速运行方式允许根据风速的变化情况对风力机的转速进行实时调节，如此确保风力发电机始终保持最佳的运转状态，进而实现风能捕获量最大化，可见风力发电机组采取变速运行方式体现出生产成本低、风能捕获量大、风速适应性好、机械应力低、生产效率高等优点。除此以外，变桨距比定桨距更优，即变桨距对稳定机组输出功率、增强机组起动性能、控制机组结构受力载荷至关重要，同时若切出风速比风速高，那么经桨叶顺桨亦能对风机起到保护作用，进而延长风机的使用寿命。然而上述发展举措尚待完善，因为变桨装置的增加势必增加故障的概率，同时导致控制程序复杂化。

1.2 风力发电机向无齿轮箱直驱式方向发展

与有齿轮箱相比，无齿轮箱直驱式永磁风力发电机要求发电机轴与叶轮轴直接连接，如此直接省去增速齿轮箱的举措对实时改变转子的转速及输出交流电的频率起着重要作用，同时也体现出风力发电系统高效率及高可靠性的特点。无齿轮箱直驱式风力发电机作为国际一流风力发电机，其主要借助低速多极永磁发电机及全功率变频器来实现风电到电网的过程。实践证实，直驱式风力发电机的应用能够实现系统的高效率及高可靠性，因此具有较大的应用前景，同时永磁电机也表现出能量密度大、运行效率及可靠性高、造价越来越低的特点，因此此类发电机必定长时间占据国际市场。

2 风力发电技术的基本趋势

2.1 风力发电容量逐渐增大

目前风力发电首要趋势就是发电的容量逐渐增大，目前风力发电基本都在1兆瓦以上，其中最大的容量已经达到了5兆瓦。目前一些发达国家，例如德国、日本，已经研制出7兆瓦以上的风力发电机组，而美国正在研制10兆瓦的发电机。从世界各国家风力发电的研究趋势显示，未来五十年，风力发电的容量最高将达到50兆瓦。

2.2 逐步发展海上风电

现在大多数的风力发电为陆上的风力发电，而海上的风力发电较少，但是目前风力发电技术发达的国家已经逐步开始进行海上的风力发电。海上风力发电的基本原理与陆上风力发电的基本原理趋同，但是优势更加明显。在海上建造风力发电设备可以节约陆上的土地资源，而且海洋上的风量要远远大于陆地上的风量，可以充分利用风能。目前我国的海上风力发电还处于研制开发阶段。

2.3 不断提高发电效率

近些年，随着科技的不断进步，风力发电技术有了明显的进步，但是从经济效益的角度来看，风力发电设备机组的使用寿命较短，使用年限往往不超过二十年，而风力发电设备比较昂贵，加上日常的维护，整体费用较高。因此风力发电技术正向一个高效发电的趋势发展，通过不断优化技术设计，减轻风力发电设备的负荷，并通过风力发电技术的改进，提升发电的效率。

3 变速恒频双馈异步发电系统的网侧变换器直接功率控制策略

3.1 数学模型

DFIG风力发电系统主要采用的是双直流电机变频器做励磁系统，网侧变换器指的是和电网相连的部分，和DFIG的转子相连的部分称作转子侧变换器，两种变换器之间用直流环节分开，控制相对独立所以可以分别的进行分析研究。这种网侧变换器可以实现双向的流动具有良好的输入输出性能并且技术成熟，所以成为当前DFIG风力发电系统主流的频率控制策略。

网侧变换器也分为两种控制方式：矢量控制和直接功率控制。其中矢量控制对电流精度的要求比较高却跟踪性好，缺点是矢量控制需要同步速的坐标变换，所以它的控制结构相对比较复杂。直接功率控制的控制结构简单，动态性能比较好，所以受到了广泛的关注。

网侧变换器采用的是三相两电平的PWM变换器构成，这种变换器的主要特点是可以实现双向的流动。工作原理是：当DFIG在亚同步的速度下工作时，网侧变换器就会处于整流的状态，能量会从三相的交流的电网中直接汇入直流环节。当发电机系统的工作速度超过同步的时速时，网侧变换器会处于你变的工作状态，能量会从直流环节汇入到三相交流网络中。

3.2网侧变换器直接功率控制

（1）基于查询开关表的频率控制

这种基于查询开关表的方式是基于离线计算开关表和置换调节器组成的。主要的实现方式是通过计算功率之间的误差和扇区信号来对不同的交流电压的矢量进行选择，进而来获得开关表的信号。

（2）预测直接功率控制

预测直接功率控制指的是在一个控制的周期内，可以选择多个电压空间矢量，再根据无功功率、有功的误差来确定选择合适的矢量，

合理的安排时间，最后获得变换器运行的开关信号。

（3）基于滑模变结构的直接功率控制

基于滑模变结构的直接功率控制主要原理是：滑模控制器和直接功率控制策略相结合，实现了固定的开关的频率，这种方式的优点是降低了无功和有功功率的乱扰现象。滑模变结构的特性是：会使系统沿着特定的状态轨迹做高频率小幅度的上下的运动。滑模变结构控制器的设计主要根据的是滑模的存在性条件和系统在正常情况下工作的动态品质的要求来设计的。系统主要通过切换函数S的符号进行判断，进而不断切换控制的变量来改系统的整体结构状态，追中是系统在实现设计好的状态下正常的运行。

结束语：丰富的风能，使风力发电技术日趋成熟，发电成本逐渐下降。风力发电的级别从单级变为多级，领域从陆地向海洋不断拓展。变速恒频双馈风力发电系统采用网侧变换器直接功率控制策略对发电机的功率进行控制，实现了风能的最大捕获，提高了风力发电系统风能的利用效率，保证系统稳定可靠地运行。本文对风力发电技术和频率控制的研究具有一定的意义和价值。

参考文献：

[1]王志新，李响，艾芊．海上风电柔性直流输电及变流器技术研究[J]．电力学报，2007，22（4）：413-417．

[2]郭晓明．电网异常条件下双馈异步风力发电机的直接功率控制[D]．浙江杭州，浙江大学，2008：52-62．

[3]李晶，王伟胜，宋家弊．变速恒频风力发电机组的建模与仿真[J]．电网技术，2003，27（9）：14- 17．