分频风电系统的控制策略研究王嘉

分频风电系统的控制策略研究王嘉

王嘉

（中国三峡新能源有限公司内蒙古分公司内蒙古呼和浩特市010010）

摘要：随着能源枯竭以及环境污染日益严重，对于新能源的开发与成为当前亟待解决的问题。而风能是较为理想的能源之一，风能发电是研究热点之一。随着海上风力发电技术的发展，风力发电呈现从近海风力发电到远距离海上风力发电的发展趋势。这带来了远距离输电问题，分频输电系统开始受到了关注。基于此，本文主要对分频风电系统的控制策略进行了简要的分析，希望可以为相关工作人员提供一定的参考。

关键词：分频风电系统；控制策略；研究

引言

现阶段，分频风电系统作为海上风力发电系统研究重要方向，已经引起国际学术界的广泛注意。为了更好的掌握此技术，需进一步加强研究。

1分频风电系统概述

分频输电系统（fractionalfrequencytransmissionsystem，FFTS）为在不提高电压等级的前提下利用降低输电频率，从而有效的缩短交流输电线路电气距离，进而实现增强输电线路的输送功率，达到降低输电回路数以及出线走廊最终目的。现阶段分频风电系统作为海上风力发电系统研究重要方向，已经引起国际学术界的广泛注意。对于集中控制的分频风电系统和集中控制的基于电压源的风电系统而言，以上2中结构均是通过多台风机输出直接并入同一条交流母线，并利用一个单独的电力电子装置有效的调节系统的频率，保证其风能捕获效率基本相同。此类结构能够有效的降低投入成本，提升其可靠性，但因风场若使用同一频率，则无法确保所有风机捕获到最大的风能，与以往的风电系统结构相比，会降低整体风场捕获风能的工作效率，所以，此结构主要适用于海上风电系统，因其海上风场风速无明显差异。因为海上风场风速差异性较小。通过实践研究可知，分频风力发电系统当真，交交变频器能够安置在陆地上，不需要海上换流站，能够有效节约更多的海上平台的维护维修成本，所以更佳适用于海上风电系统。

2分频风电系统变频方式的选择

2.1基于晶闸管的交交变频器

因其主要利用半控型器件晶闸管，具有成本低，可靠性高，容易完成大规模公路转变等优势。但与此同时，与全控型器件相比，缺乏相应的灵活性，谐波含量以及波形畸变率相对较高，为了更好的保证电能质量需要加装额外滤波以及无功补偿装置，进而增加了投入成本。并且，由于晶闸管的交交变频器存在换相失败的状况，在很大程度上制约了故障穿越能力，进而阻碍了在大范围的风电并网当中的有效应用。

2.2基于全控型器件的模块化多电平矩阵式变换器

模块化多电平矩阵式换流器的提出，受到了广泛的重视。M3C共包含9个桥臂，3×3）级联而成，每个桥臂由3个H桥子模块和1个电感串联，其中H桥子模块为基于IGBT的交直交全桥型模块。三相输入与三相输出的交流频率分别是10Hz与50Hz，将这种结构的M3C用于分频风电系统作为陆上交交变频器，用于将10Hz电流转换成工频电流。对直流系统2侧分别进行连接，其中左侧作为工频电网，右侧能够作为海上风电经FFTS输送的低频网络。此形式与以往交交变频器对比可以发现，M3C通过全控型的IGBT，可以独立的把控交流侧有功以及无功功率，具备黑启动能力，从而提升了其灵活性，而繁琐的开关模式可以降低谐波含量，最大限度的降低额外的滤波装置，有效的缩减成本，交流侧具有较强的故障穿越能力。桥臂通过模块化的结构，此结构形式对于高电压以及大功率的场合应用效果最佳，同时可以增加两侧所联系统的整体稳定性，所以M3C被誉为新一代的变频器。

3分频风电系统的控制策略

3.1分频风电系统的频率控制

3.1.1直驱式风力发电机的最大功率跟踪

永磁直驱式风力发电机的控制策略根据风速可以分为两个阶段。当风速处于切入风速和额定风速之间时，根要使风力发电机工作在最大风能的捕捉模式下，只要将叶片桨距角保持在较小值。调节风轮转速，使它在风速变化的情况下保持最佳的叶尖速比，就可以获得最大的风功率系数。只要保持最佳的叶尖速比，就能实现最大功率的跟踪。当风速大于额定风速时，则需要调节桨距角来限制减少风能的捕获，降低功率。这样可以保证稳定的额定功率，在保证效率的同时确保了风电机组及电网的稳定性。

3.1.2低频侧频率的优化控制

在永磁直驱式风力发电机的情况下，风力发电机的转速和低频侧的频率成正比。低频侧频率优化控制原理是直驱式风机用于分频风电系统时要保持低频侧频率。需要确定风速频率拟合曲线，在切入风速时控制低频侧风速频率在10Hz，在切出风速时控制低频侧频率风速频率在20Hz，最后确定额定风速下的最佳频率。频率取值范围为10~20Hz，每隔0.1Hz进行取值，将所有的平均功率进行对比，选出最大的作为额定风速下的最佳频率。

3.2M3C的控制策略

空间矢量法是一种用矢量代表三相电压电流和相位的简单有效的方法，它和复数向量不同，可以用一个旋转的向量表示3个物理量。将每个H桥的电容器当作是电压源，每个线间电压则是这些模块输出电压的组合。输入端有功功率（P1）、输入端无功功率（Q1）和输出端无功功率（Q2）由dq的PI控制，分别是dq/uvw和dq/abc。将输出端的P2用H桥两端的电压VH替代，因为将所有电容器当作是电压源，所以VH为整个桥臂的电压除以3得到。将输入端的10Hz电流转换成50Hz的电流，且电压和电流的总谐波失真都低于2%。这就验证了M3C是分频输电系统中较好的替代变频器。

3.3分频风电系统保护研究

利用分频风电接入具体的电网的算例，对换流站的故障机理进行深入的研究，同时以不同线路连接的形式分析线路故障机理；按机器分频电网故障的类别判断以及故障点快速定位系统的研制，从而制定出科学的故障点隔离、清除以及恢复的具体方案。并在此基础上你，加大分频风电的保护配置方案的研发，在此过过程中，对所获得的故障暂态特性分析以及保护方法有效性完成科学的验证。建立换流器在电网电压跌落及过电压时的数学模型，去全面探讨电压跌落特别是不对称跌落时负序和零序电压对变频器稳态运行的影响，设计换流器故障穿越时的控制算法。

结束语

综上所述，分频风电系统主要应用与远距离大规模风电并网的系统方案。分频风力发电系统能够高效的增强线路传输效果，简化风机结构，降低投资以及运行维护成本以及工作量，并极易构成多端网络，因此，在海上风电获得了广泛的应用。在不升高电压等级的条件下，通过降低远距离输电线路中交流电的频率来减小输电的电气距离，从而提高输电功率，实现交流电远距离输电的目的。M3C是一种新型的电力电子变换器，具有可以在高压、大功率和低频条件下稳定运行的特点。因此，具有良好的应用前景。

参考文献：

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