新型双功率流风力发电系统控制策略

新型双功率流风力发电系统控制策略

曹若杰

广东水电二局股份有限公司830000

摘要：近年来，双功率流风力发电系统主要采用电气无级变速器及电池储能装置，目前作为新型风力发电系统结构而备受关注。基于电气无级变速器及带有电池储能装置的双功率流风力发电系统是近年提出的一种新型风力发电系统结构。文中提出了该系统的整体控制策略,以控制风力机、电气无级变速器电机、电池及电网之间的能量流动。新型风力发电机系统,包括发电机、调速电机、行星齿轮和风力机,发电机与太阳轮连接,调速电机与内齿圈连接,风力机轴与行星架连接。对控制策略进行仿真研究,并给出转速转矩控制平滑切换规则,搭建了双转子风力发电实验平台,实现了并网操作,验证了该系统结构的可行性与控制策略的有效性。本文初步分析探讨了该系统的控制措施，对于提高该系统的广泛应用具有一定的参考价值。

关键词：风力发电系统；双功率流；双功率流；电气无级变速器；电池储能系统；控制策略

0前言

目前，在电力行业应用最广泛就是变速恒频双馈风力发电系统和永磁直驱风力发电系统。这两种系统在理论及应用中各有利弊：双馈风力发电系统具有对有功和无功功率解耦的额控制功能，变频器只需30%左右风力机额定功率的容量，但因风力机在转速上相对较低。一般情况下，需要利用多级齿轮箱实现速度提升功能，但在实际应用中，多级齿轮箱故障率较高，易提高系统维护成本，进而影响效率。永磁直驱风力发电系统不具有齿轮箱结构，但发电效率相对较高，使系统增加可靠性，但不足之处是需全功率电力电子变换器，电机都具有相对较大的体积和重量，这在一定程度上增大了设计安装难度。而两个系统输出电能的增加主要是利用变频器并网实现的，将对电网产生一定污染。由于风能具有随机性，使输入风力发电系统的电网功率随机发生变化，影响大电网的稳定性。为此，提出基于电气无级变速器的双功率流风力发电系统，利用双机械端口电机实现无级变速，进而替代机械增速齿轮箱。

1双功率流风力发电系统工作原理

系统结构中的电气无级变速器具有的外转子与风力机连接，定子绕组利用背靠背变频器连接内转子绕组，直流侧利用直交流变换器连接电池储能装置。机械功率由风力机传来经过电气无级变速器分为机械功率流和电功率流，按照发电系统需求，电池储能系统对充放电状态进行合理调节，电池在系统输入功率超过输出功率需求时进入充电模式，多余功率存入电池。电池在系统输入功率低于输出功率时进入放电模式，短缺的功率主要由电池负责提供。

2双功率流风力发电系统控制措施

2.1定子侧控制措施

系统利用控制定子侧变频器实现最大风能跟踪，电气无级变速器外转子连接风力机，外转子和定子可视为普通永磁同步电机，控制最大风能措施依据传统永磁直驱风力发电系统确定，以功率反馈法为基础采用跟踪控制最佳电流给定最大功率的相关措施，该措施较为便捷，只需要电流环就能实现。

2.2变桨距控制措施

双功率流风力发电系统的变桨距控制措施可结合系统实际，根据传统系统变桨距控制方法。外转子转速及外转子侧吸收的风力机输入功率在变桨距控制下保持额定值，因桨距角在变桨距过程中的变化速度有限，通过设定阈值对桨距角变化速度进行限制。

2.3电池储能系统控制措施

利用控制电池储能系统对系统功率流向进行调节，使直流侧电压达到稳定。电池利用两桥臂直交流变换器连接直流侧，电池保护主要利用增加的绝缘栅双极型晶体管与耗能电阻实现，以防充放电产生电流、过电压。直流侧电压采用开关器件通断控制进行稳定，控制电池传递系统间的功率。利用耗能电阻将多余能量释放，保护电池由于过充而发生损坏。

2.4内转子侧控制措施

电气无级变速器同电机内转子与同步发电机进行连接，内转子主要负责将功率向同步发电机传递，同步发电机并网采用的准同步与自同步并网方法十分成熟。内转子在并网前，控制转速与同步发电机保持一致，转速环采用与同步发电机保持一致的同步速，利用矢量控制方法，内转子转速恒定值受内转子绕组的通电频率而发生改变。三相在矢量控制过程中静止坐标向两相旋转坐标进行变换，以及两相旋转坐标向两相静止坐标进行变换，内外转子可视为内永磁电机，内外转子电角速度之差为电角速度。系统并入电网后，电网决定同步发电机转速并保持同步速，连接的内转子也保持恒定速度。内转子不只是对转速进行控制，也对功率控制进行转变，与电网实际需求相结合，对输入电网进而实现控制其有功功率。

3仿真研究

3.1仿真参数

结合电气无级变速器模型及双功率流风力发电系统各环节的控制措施，建立整体仿真模型。为使仿真结果明显提高精确率，应充分结合系统损耗进行综合分析，在仿真中对双功率流风力发电系统运行中产生的损耗进行考虑。电气无级变速器电机由于发生一定程度的机械损耗等，其铜耗与电流平方具有正相关关系，在仿真过程中易于得到相关结果，机械损耗可充分利用摩擦系数得到。因铁耗模型具有相对复杂性，因而计算电气无级变速器电机转子铁耗在不同转速下采用软件进行仿真，再将建立的仿真模型加入其中，仿真中与转速相结合利用查表可获得比较准确的铁耗，蓄电池损耗利用适合的电阻与其串联应模拟其损耗结果。对变频器设置的内置电阻，在仿真过程中对其损耗进行计算。蓄电池容量在仿真模型中结合系统额定功率对参数进行合理选择，以确保蓄电池在系统启动时能提供相应功率，电池设置50%的初始荷电状态。因蓄电池具有有限容量，在系统运行过程中对其充放电不能无限制，所以风力机应结合不同平均风速下吸收的最大功率，由双功率流风力发电系统合理给定向电网输出功率，在允许范围内使蓄电池达到充放电功率。为使系统功率稳定平滑输往电网，并结合系统损耗确定较为合理的输出功率。

3.2仿真结果

对双功率流风力发电系统分别开展并网前后的仿真研究，系统在离网状态利用对内转子转速的控制，同步发电机准备进行并网。系统并入电网后，并对内转子向同步发电机传递的功率进行控制。结合实际风速，对给定系统输出功率进行确定。

4结束语

由上可见，新型双功率流风力发电系统控制措施能够使其对风能波动进行有效平抑，使风能提高利用率。双功率流风力发电系统作为一种全新的风力发电系统正处在技术研究过程中，很多实际应用问题还有待于在日后工作中进行妥善解决。

参考文献

[1]程明，张运乾，张建忠.风力发电机发展现状及研究进展[J].电力科学与技术学报，2010（11）.

[2]孙西凯，程明.新型机电混合无级变速风力发电系系统[J].中国电机工程学报，2013（15）.

[3]贺益康，郑康，潘再平，等.交流励磁变速恒频风电系统运行研究[J].电力系统自动化，2011（21）.

[4]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2012（10）.

[5]陈凯云，程明.新型机电混合无级变速风力发电系系统[J].中国新技术新产品，2012（15）.