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

李凤林 

吉林吉电新能源有限公司  吉林省长春市  130000

摘要：风力发电系统的形成是我国近年来注重电力体制改革背景下，强调可持续发展战略下所兴起的清洁能源发电模式。风能是一种随机性强、爆发性高、不稳定的能源，因此在并网过程中风力发电输出功率易存在波动的现象，造成电网功率与负荷不匹配，引发停电事故。此外，由于新型电力系统中具有大量的电力电子器件，因此对于电网的频率振荡较为敏感，这就对风力发电机的输出频率提出了更高的要求。本文主要对变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制进行论述，详情如下。

关键词：变速恒频；风力发电；风能追踪

引言

随着传统化石能源如石油、天然气等的逐步枯竭，风能、太阳能、核能等清洁能源已逐步发展为当今世界不可或缺的新能源，风能更是成为位居前列的开发能源。目前，我国已在甘肃、新疆、内蒙古以及舟山群岛等区域成功建设大型风电场，助力我国西电东送国家战略和长三角地区经济增长。但大量的风力发电也给大电网的安全运行带来了挑战。风力发电具有间歇性、不确定性等特征，当风电并网后若无有效的控制措施干预，将干扰火电、水电等构成的传统大电网的稳定性。

1风力发电系统原理

风力发电系统由风力机、发电机、传动链、控制装置等构成，其作用是将清洁的风能转换为电能，再通过风电并网将电能传输至千家万户。风力发电的控制装置用于应对风能的极度不确定性，是将不可控能量向可控能量传递的关键设备。风力机是我们对风力发电系统认知的宏观产物，通常由三片桨叶组成的风轮、塔架等构成。根据安装地点的不同，分为水平面安装的风力机和垂直面安装的风力机两种；按照控制策略不同，还可以将风力机分为定距失速、变距失速和主动失速三种类型。发电机是连接风力机产生的机械能和电能的桥梁，风电并网有极其严苛的条件，不仅要保证并网点电压幅值相同，还需要做到并网频率相同。风力发电机有恒速运行和变速运行两种结构，而变速运行需要与变流器组合使用才能实现。变流器物理结构由二极管、IGBT等功率电子器件组成，通过采用先进的高性能控制算法，可以实现任何频率和幅值的风力发电与大电网相连。风力发电发展初期，在各风电场应用较多的是笼式异步风力发电机和双馈异步风力发电机，后来PMSG因功率因素高、定子电阻损耗小等优点逐步得到了工业认可和推广。时至今日，诸多学者又提出了一种以永磁同步电机为传动载体的新型变速恒频风力发电机。

2变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制

2.1双矢量模型预测电流控制

风力发电系统因具有发电效率高、变流器容量小、可实现变速恒频运行等优点受到广泛应用。在风力发电系统中，感应发电机（DFIG）的定子直接连接电网，转子接背靠背变换器，并与电网相连，定、转子都参与了馈电。因此，DFIG的运行控制主要是对背靠背变换器的控制。网侧变换器主要实现２个控制目标，即对直流电压的控制和电机转子与电网之间双向有功和无功功率的流动。转子侧变换器主要实现对DFIG定子输出有功、无功功率的控制。目前，风力发电系统主流控制为矢量控制和直接转矩控制２种控制策略，参考值无静差跟踪能力的掌控是２种控制方法的核心。为了提升风力发电系统变换器的控制性能，模型预测控制（MPC）成为研究热点。MPC通过结合控制系统的当前状况和构建的数学模型，预测未来可能的状态，再依据所设计的价值函数比对参考值与预测值的误差，在线寻找最优结果的控制算法。DFIG转子侧经过背靠背变换器与电网相连，而网侧未经隔离直接连接电网。转子侧变换器对DFIG定子输出有功、无功功率控制，是整个风电系统功率控制核心。在有限控制集模型预测控制中，考虑到变换器允许产生的开关状态总数有限，对建立的预测模型进行在线寻优，计算出最优开关状态作用于变换器。ｋ时刻测量值构建预测电流模型，将预测结果代入价值函数ｇ，使ｇ最小化的开关函数Sn在ｋ＋１时刻作用于变换器。与连续控制集相比，有限控制集模型预测控制直接地考察模型的离散特征和制约条件，计算使代价函数达到最小值的开关状态，能有效减小计算量，直接实现优化，便于构建控制系统，同时提高了控制结构的稳定性。

2.2风电惯量响应及一次调频控制策略

2.2.1虚拟惯性控制

通过附加虚拟惯性控制环节控制风机转子释放动能，为电力系统提供附加功率，能够实现风力发电一次调频，但是在转子释放动能为电力系统提供功率支撑维持频率稳定时会有显著的转速下降，导致风机达不到应发功率，从而可能引起二次频率跌落甚至风机脱网的严重事故。针对这一问题，对风机转子释放动能提供有功支撑的附加功率曲线做出改进，提出当释放储存在转子中可用能量的一半时，附加功率随转子转速的降低线性变化的控制策略，同时当风机开始恢复转速时，参考有功功率设置为机械功率和电磁功率的平均值。此策略固然能使风机最大可能避免频率二次跌落事故，但是不难发现其也有调频力度不足，调频速度慢以及转子转速恢复速度慢的弊端，而且此策略缺少风机输出附加功率与系统频率变化的关联性，缺乏针对频率变化速度做出响应的有效手段。在传统虚拟惯性控制调频方案的基础上，提出了基于可变系数的风电机组一次调频策略，根据风机当前运行状态改变虚拟惯性系数，从而调节虚拟惯性控制策略调频强度，提高了风力发电一次调频的灵活性与平稳性。但此策略对于频率变化率阈值N的选取要求较高，当N选取过大时，无法发挥自适应虚拟惯性系数的优势；而当N选取过小时，又有可能会发生超调现象，同时对有功备用要求较高。

2.2.2减载控制

减载控制方案通过降低风机对风能的捕获，从而实现风机减载操作，提高风力发电有功备用以供调频使用，主要包括两种控制方法：桨距角控制和超速减载控制。桨距角控制通过机械装置改变风机叶片的桨距角，直接影响到风能利用系数。当功率足够且不需要风力发电参与一次调频时，增大桨距角，降低风能利用系数；当电力系统频率降低时，减小桨距角，提高风能利用系数，捕获风能为一次调频提供能量支撑。超速减载控制通过控制风机在次优功率追踪模式下运行，使风机转子转速高于MPPT控制模式下的转子转速，以此来存储有功备用。当电力系统需要风电参与一次调频时，风机转子转速降低，逐步恢复到最大功率追踪模式，从而得到有功支撑风电完成一次调频任务。

结语

随着科技的发展，变速恒频发电技术被研发出来，并日趋成熟，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，而新技术的应用使之发生变化，已引起行业与学术界的关注，为电力技术的研究提供新的内容。

参考文献

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