新型雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制措施分析

劉利成

摘 要：近年來(lái)，雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要采用電氣無(wú)級(jí)變速器及電池儲(chǔ)能裝置，目前作為新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注。本文初步分析探討了該系統(tǒng)的控制措施，對(duì)于提高該系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；雙功率流；控制措施

中圖分類號(hào)：TM346 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

目前，在電力行業(yè)應(yīng)用最廣泛就是變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)在理論及應(yīng)用中各有利弊：雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有對(duì)有功和無(wú)功功率解耦的額控制功能，變頻器只需30%左右風(fēng)力機(jī)額定功率的容量，但因風(fēng)力機(jī)在轉(zhuǎn)速上相對(duì)較低。一般情況下，需要利用多級(jí)齒輪箱實(shí)現(xiàn)速度提升功能，但在實(shí)際應(yīng)用中，多級(jí)齒輪箱故障率較高，易提高系統(tǒng)維護(hù)成本，進(jìn)而影響效率。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不具有齒輪箱結(jié)構(gòu)，但發(fā)電效率相對(duì)較高，使系統(tǒng)增加可靠性，但不足之處是需全功率電力電子變換器，電機(jī)都具有相對(duì)較大的體積和重量，這在一定程度上增大了設(shè)計(jì)安裝難度。而兩個(gè)系統(tǒng)輸出電能的增加主要是利用變頻器并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定污染。由于風(fēng)能具有隨機(jī)性，使輸入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)功率隨機(jī)發(fā)生變化，影響大電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為此，提出基于電氣無(wú)級(jí)變速器的雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，利用雙機(jī)械端口電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，進(jìn)而替代機(jī)械增速齒輪箱。

2 雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的電氣無(wú)級(jí)變速器具有的外轉(zhuǎn)子與風(fēng)力機(jī)連接，定子繞組利用背靠背變頻器連接內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組，直流側(cè)利用直交流變換器連接電池儲(chǔ)能裝置。機(jī)械功率由風(fēng)力機(jī)傳來(lái)經(jīng)過(guò)電氣無(wú)級(jí)變速器分為機(jī)械功率流和電功率流，按照發(fā)電系統(tǒng)需求，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)充放電狀態(tài)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，電池在系統(tǒng)輸入功率超過(guò)輸出功率需求時(shí)進(jìn)入充電模式，多余功率存入電池。電池在系統(tǒng)輸入功率低于輸出功率時(shí)進(jìn)入放電模式，短缺的功率主要由電池負(fù)責(zé)提供。

3 雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制措施

3.1 定子側(cè)控制措施

系統(tǒng)利用控制定子側(cè)變頻器實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，電氣無(wú)級(jí)變速器外轉(zhuǎn)子連接風(fēng)力機(jī)，外轉(zhuǎn)子和定子可視為普通永磁同步電機(jī)，控制最大風(fēng)能措施依據(jù)傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)確定，以功率反饋法為基礎(chǔ)采用跟蹤控制最佳電流給定最大功率的相關(guān)措施，該措施較為便捷，只需要電流環(huán)就能實(shí)現(xiàn)。

3.2 變槳距控制措施

雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變槳距控制措施可結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際，根據(jù)傳統(tǒng)系統(tǒng)變槳距控制方法。外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及外轉(zhuǎn)子側(cè)吸收的風(fēng)力機(jī)輸入功率在變槳距控制下保持額定值，因槳距角在變槳距過(guò)程中的變化速度有限，通過(guò)設(shè)定閾值對(duì)槳距角變化速度進(jìn)行限制。

3.3 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制措施

利用控制電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)功率流向進(jìn)行調(diào)節(jié)，使直流側(cè)電壓達(dá)到穩(wěn)定。電池利用兩橋臂直交流變換器連接直流側(cè)，電池保護(hù)主要利用增加的絕緣柵雙極型晶體管與耗能電阻實(shí)現(xiàn)，以防充放電產(chǎn)生電流、過(guò)電壓。直流側(cè)電壓采用開(kāi)關(guān)器件通斷控制進(jìn)行穩(wěn)定，控制電池傳遞系統(tǒng)間的功率。利用耗能電阻將多余能量釋放，保護(hù)電池由于過(guò)充而發(fā)生損壞。

3.4 內(nèi)轉(zhuǎn)子側(cè)控制措施

電氣無(wú)級(jí)變速器同電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子與同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子主要負(fù)責(zé)將功率向同步發(fā)電機(jī)傳遞，同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)采用的準(zhǔn)同步與自同步并網(wǎng)方法十分成熟。內(nèi)轉(zhuǎn)子在并網(wǎng)前，控制轉(zhuǎn)速與同步發(fā)電機(jī)保持一致，轉(zhuǎn)速環(huán)采用與同步發(fā)電機(jī)保持一致的同步速，利用矢量控制方法，內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恒定值受內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的通電頻率而發(fā)生改變。三相在矢量控制過(guò)程中靜止坐標(biāo)向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)進(jìn)行變換，以及兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)向兩相靜止坐標(biāo)進(jìn)行變換，內(nèi)外轉(zhuǎn)子可視為內(nèi)永磁電機(jī)，內(nèi)外轉(zhuǎn)子電角速度之差為電角速度。系統(tǒng)并入電網(wǎng)后，電網(wǎng)決定同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速并保持同步速，連接的內(nèi)轉(zhuǎn)子也保持恒定速度。內(nèi)轉(zhuǎn)子不只是對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，也對(duì)功率控制進(jìn)行轉(zhuǎn)變，與電網(wǎng)實(shí)際需求相結(jié)合，對(duì)輸入電網(wǎng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制其有功功率。

4 仿真研究

4.1 仿真參數(shù)

結(jié)合電氣無(wú)級(jí)變速器模型及雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的控制措施，建立整體仿真模型。為使仿真結(jié)果明顯提高精確率，應(yīng)充分結(jié)合系統(tǒng)損耗進(jìn)行綜合分析，在仿真中對(duì)雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的損耗進(jìn)行考慮。電氣無(wú)級(jí)變速器電機(jī)由于發(fā)生一定程度的機(jī)械損耗等，其銅耗與電流平方具有正相關(guān)關(guān)系，在仿真過(guò)程中易于得到相關(guān)結(jié)果，機(jī)械損耗可充分利用摩擦系數(shù)得到。因鐵耗模型具有相對(duì)復(fù)雜性，因而計(jì)算電氣無(wú)級(jí)變速器電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵耗在不同轉(zhuǎn)速下采用軟件進(jìn)行仿真，再將建立的仿真模型加入其中，仿真中與轉(zhuǎn)速相結(jié)合利用查表可獲得比較準(zhǔn)確的鐵耗，蓄電池?fù)p耗利用適合的電阻與其串聯(lián)應(yīng)模擬其損耗結(jié)果。對(duì)變頻器設(shè)置的內(nèi)置電阻，在仿真過(guò)程中對(duì)其損耗進(jìn)行計(jì)算。蓄電池容量在仿真模型中結(jié)合系統(tǒng)額定功率對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理選擇，以確保蓄電池在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)能提供相應(yīng)功率，電池設(shè)置50%的初始荷電狀態(tài)。因蓄電池具有有限容量，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其充放電不能無(wú)限制，所以風(fēng)力機(jī)應(yīng)結(jié)合不同平均風(fēng)速下吸收的最大功率，由雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)合理給定向電網(wǎng)輸出功率，在允許范圍內(nèi)使蓄電池達(dá)到充放電功率。為使系統(tǒng)功率穩(wěn)定平滑輸往電網(wǎng)，并結(jié)合系統(tǒng)損耗確定較為合理的輸出功率。

4.2 仿真結(jié)果

對(duì)雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分別開(kāi)展并網(wǎng)前后的仿真研究，系統(tǒng)在離網(wǎng)狀態(tài)利用對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的控制，同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)備進(jìn)行并網(wǎng)。系統(tǒng)并入電網(wǎng)后，并對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)子向同步發(fā)電機(jī)傳遞的功率進(jìn)行控制。結(jié)合實(shí)際風(fēng)速，對(duì)給定系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行確定。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，新型雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制措施能夠使其對(duì)風(fēng)能波動(dòng)進(jìn)行有效平抑，使風(fēng)能提高利用率。雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為一種全新的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正處在技術(shù)研究過(guò)程中，很多實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題還有待于在日后工作中進(jìn)行妥善解決。

參考文獻(xiàn)

[1]程明，張運(yùn)乾，張建忠.風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2010（11）.

[2]孫西凱，程明.新型機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電系系統(tǒng)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013（15）.

[3]賀益康，鄭康，潘再平，等.交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011（21）.

[4]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.