风力发电系统控制策略探究王明佺

风力发电系统控制策略探究王明佺

王明佺

（华能河北清洁能源分公司河北石家庄050000）

摘要：风能属于可再生能源，分布较为广泛，一般在利用时不会对自然环境造成伤害，其作为替代能源的重要现实意义就更加突出。风力发电的研究涵盖面较广，其主要控制的对象是风叶、发电机的制造，及对风电系统控制策略等方面，为了使风力发电实现最佳的控制效果，需要综合考虑多方面因素。近年来我国电力行业发展迅速，在风电发电方面取得了良好的成果，进而提高风力发电电能质量和品质。就此，本文简要结合风力发电系统控制策略方面进行分析，以望进一步提高发电的质量，为相关工作人员提供一定参考。

关键词：风力；发电系统；控制；策略

1引言

风能是一种可再生、永不枯竭、无污染且储量巨大的能源,其属于自然能源的范畴,风能的利用相对而言比较简单,其不同于煤、油、然气等,需要先从地下采掘出来再进行二次加工；不同于水能,需要建造坝以推动水轮机运转；不同于原子能的利用,需耗费大量的成本与技术研发力量。风力发电具有较为稳定的发电成本,对环境污染小,因此其发展前景较为广阔。特别是对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带,应根据当地的实际情况合理利用风力发电,具有重要的实际价值。

2风力发电系统控制的重要性分析

因自然风速的大小和方向的随机变化,风力发电机组切入电网和切出电网、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运动过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。风力发电系统的控制技术从定桨距恒速运行至基于变桨距技术的变速运行,已基本实现了风力发电机组理想地向电网提供电力的最终目标。

功率调节是风力发电机组的关键技术之一,功率调节方式主要涉及定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节的控制方法。随着风力发电机组由定桨距恒速运行发展到变桨距变速运行后,风力发电机组控制系统需要通过风速和风向变化对机组进行并网和脱网及调向控制,除此之外，通过变距系统对机组进行转速和功率的控制,进而能够提高机组的运行效率、安全性和可靠性,进一步促进年发电数量和质量的提升。

3有关分布式风力发电系统现状概述分析

分布式发电系统按照其能源来源分类，可分为分布式风力发电系统与分布式太阳能发电系统。其中，风力发电以其资源保有量大、发电成本低，发电系统运行容错率高的特点，因此逐渐成为各国分布式新能源发电系统研究的主流方向。

现阶段风力发电机以永磁同步电机、双馈异步电机和无刷直流电机为主。其中，永磁同步电机功率密度低，且机械结构复杂，加工难度成本高，逐渐被后两个取代，而双馈异步电机同样存在系统控制策略设计复杂的问题。无刷直流电机是近年来电气研究领域的新发现，其励磁、电枢绕组均设置在转子上，电流换向无需辅助装置，已在风力发电市场中有了一席之地。

而风力发电系统控制器，一直以来都是风力发电系统研究的核心技术难点之一。其承担着系统各运行部件的实时监控、最大风能跟踪，负载需求管理等功能。随着DSP，FPGA等集成电路芯片的诞生，系统控制器的设计由原先的硬件控制设计转为软件研发为主。因此，系统控制器的设计水准，一定程度上关系着整个分布式风力发电系统的运行性能。

4分布式风力发电系统控制设计

分布式风力发电系统其基本运行原理为：风轮机捕获风能，经无刷直流发电机将风能转换为电能，无刷直流输出端直接构造系统直流母线，直流负载直接挂接在直流母线上工作，交流负载通过直流母线电压外接逆变器实现供电，蓄电池通过与直流母线交联，分布式风力发电系统控制器实现整个系统的监控、控制、调节功能。

风力发电机与风轮机的合理选型，也是影响风力发电系统效率的关键因素之一。基于无刷直流电机结构简单、运行可靠、容错率高的特点，电励磁无刷直流电机作为系统发电机，将其与定桨距风轮机采用传动轴直接连接的方式，降低机械部件之间的损耗，进一步提高系统运行效率。

5风力发电厂中风轮控制策略分析

风轮承担着将风能转化为系统的机械能，是整个系统的能量的输入，风轮同样能改变能量输入烦人多少，通过控制风轮，实现对系统的控制。根据公认的贝兹理论，实际上风能转化为电能的比例最多能够达到59.3%。风力发电系统要达到最大的转化率，首先要保证风能在获取过称中最小的消耗。对于风轮单方面来说，获得最大功率的控制方法主要有：

5.1叶尖速比(TSR)控制

叶尖速就是指风轮最外边缘，即风叶的尖端在风力推动下转动的线速度，风力推动风轮的边缘速度与此时的风速的数值比被称为叶尖速比。叶尖速比控制是控制叶尖速的比值实现系统的最优化。因此，根据不同的风速来确定最优的叶尖速比，其确定最优的转速在控制时，大自然的风力的大小，风速是不可调节的，通过改变叶尖速实现控制作用，可以改变风轮的转矩，改变风轮边缘速度的大小，获得最优的转速，实现最优的叶尖速比。

5.2功率信号反馈(PSF)控制

对于功率信号的控制，主要是基于风轮运行时的功率是根据条件变化的，根据功率关系绘制出相应的最大功率曲线，再以功率曲线为基础进行相应的操作。一般是在实际工作中，对比最大功率与系统的实际输出功率，得出两者之间的差值，据此对风轮桨矩进行一定的调整，最终就可以得到最大功率。相比于第一种方法，运用此方法的一个最大的优势是能够减少控制成本，但也存在一个问题问题，如何在平时运行中获取最大功率曲线。

5.3爬山搜索(HCS)控制

功率点的图像犹如一个抛物线，将它看做一个小山，则最高点就是最大功率点。当我们不确定目前工作点在哪，可以适当增加风轮转速，系统输出的直流功率会改变，如果直流功率增加，则说明在山的左边，反之则在右边。通过这种方法可以找到最高点，以确定风轮转速。但这种方法有一定缺点，风轮的转动惯量较大时，就很难改变转速。

6风力发电机及变换器控制策略

6.1风力发电机控制分析

风力发电的能量来源于风力，离地面较高的地方风力较大，所以我们需要在高空完成能量转化，所以我们需求高效率的质量相对较轻的发电机，及其一系列设备。永磁发电机发电热损耗教小、使得发电效率高。在制作的过程中就可以采用模块化的制造方式，降低整个生产的成本。同时，在对风力发电系统发电机进行控制的过程中，一般采用的都是矢量控制方式，采用此种方式的主要原因是这种控制方式可以有效的实现直轴电流和交轴电流之间的解耦，使得对于系统的功率因数的控制变得相对简单。

6.2电力电子变换器控制分析

在风力发电的系统中通常要去电力电子变换器具有以下的特点：

使用的面相对较广，要求在大型的风电系统中也能够良好高效的使用；要求风能在转换过程中能量的转换率要高，在转化后传输效率要高；要求可以调节无功功率，改变功率因素；变化器尽可能的减少对电能的质量损失，要求谐波畸变尽可能的小；要求设备在使用过层中可靠度高，安全系数高；在保持高的运行效率时，功率范围大；电力电子变化器设备成本低。运用PWM整流器，可以很方便的实现对系统的最大功率控制。在整流器的运行过程中，对其进行矢量控制，就可以实现有功、无功功率之间的解耦，从而就可以得到符合实际需求的无功功率，同时，还能够最大程度的输出有功功率。设置直流环节的最终实现系统无功与有功功率的调节工作。

7结语

总之，随着经济的不断发展，风力发电会是一项重点项目，风电有广阔发展前景。在风能利用上，风力发电将大幅度使用智能控制，在运行时通过最优控制实现最大功率，从而提高风能利用率增加。

参考文献:

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