基于双馈风力发电系统的最大风能控制探究

基于双馈风力发电系统的最大风能控制探究

梁钊张宁

（北京京能新能源有限公司宁夏分公司750000）

摘要：在变速风力发电系统问题的分析和捕获最大风策略的基础上，又提出可以实现低于规定风速下又能捕获最大风能的控制策略。首先，要考虑双馈型发电机和风力机在电磁上的关系，分别得出双馈发电机的最小化铜耗和捕获最大风能时的数学模型。其次，再建立双馈型风力发电机在系统捕获最大风能时的控制策略。最后，对有关数据进行细心的分析比较，结果得出该控制策略是正确的以及在可行性上也是没问题的。

关键词：双馈；风力；发电系统；最大；风能控制

近年来，能源匮乏的问题受到了世界各国的关注，使用新能源发电技术是应对能源危机的最好途径之一，风力发电就是新能源利用的主要形式之一。其中，双馈型风力发电靠它出众的控制性能，成为了风力发电领域里被重点研究的对象。这些年来，已经有过一些文献研究了最大风能的捕获，比如：TSR和PSF等等。但由于控制TSR需要实时并且精确的测量风速，所以在实际的操作中会非常困难；而PSF虽然可以在不需直接测量分素的情况下捕获最大风能，但是它的精准度受到定子功率的影响和控制。虽然一些参考文献都想过用智能方法改进以上的问题，但顾此失彼，改进原来问题的时候却又忽略了双馈型发电机自身的工作效率问题。因此，该文在这些问题的基础上，提出了一种新控制策略——将发电机上的铜耗最小化的运行的发电系统，再输出最大的功率。

一、风力机的特性

根据贝兹理论我们可以得出风力机捕获的机械功率是：

PT=CPAρυ3，公式中，Cp为功率；A为风力机扫略的面积；ρ为空气的密度；υ为风速。从式中就可以看出来，在风速确定的情况下，风力机得到的功率要看功率系数的多少。而Cp为λ和β所得的函数，关系式为：CP（λ，β）=0.5176（，其中；其中λ为尖速比，可表示为：λ=，公式中，ωt为风力机风轮的角速度；Rt为叶片的半径。

根据计算出的结果，我们可以看出来，当β渐渐增加时，Cp的程度明显下降，从而得到最大风能，β经常被设置成一个非常小得数值；而β在固定状态下，Cp的曲线在λ的变化下最的得到一个最大的数值——Cpmmx。和β=0°时的特性。

二、双馈型发电机的最优化模型

2.1钢耗最小化的数学建模

如果双馈型发电机连接到无限极大的系统是，它的定子方和电压电流也按照发电机、转子方电压电流等惯例，我们假设定子的电压相量和d轴发生重合，可以得到发电机在d-p同步轴系条件下稳定的运行时电压和电流的方程式：

公式中得U′rd、U’rq分别为和转子的电流具有一阶微分的关系和转子电压解耦时的分量值；Ird、Irq又分别为转子电流的分量；△Urd、Urq分别为消除转子的电压和电流交叠耦合时的电压补偿分量值；其中d=Lr-Lm2/Ls；e=Lm/Ls。这样做的好处就是：不但让控制简单化了，而且还确保了控制时的精确度和动态响应时的迅速特点。

用前面得出的一些公式再加上公式得出的励磁控制模板，我们就可以计算出双馈型发电机在最大风能捕获以及转化时的控制图。

根绝得出的结果可以看出，双馈型发电机运用的是转子电流关闭的方式。一方面运用以上公式得到捕获最大风能时的转子电流；另一方面，又得到了铜耗在最小化运行时转子的电流的d轴分量值的给一个定值——Irqopt。

和以往传统在采用功率控制策略的方法比较的话，现如今这个控制方法省掉了有功功率、无功功率的控制环节，控制的方法相对来说并不复杂。与此同时，这种方法不仅达到了最大风能的捕获，还讲电机铜耗最小化运行纳入考虑范围，有效地提高了风电系统的运行效率。

四、双馈型风力发电机运行性能的仿真

若要验证以上的控制策略正确与否，最好的办法就是对其进行仿真。详细见表1和表2。

双馈型发电机的转速在实验之初时，风速是9m/s，然后在第6秒时突然变成为12m/s，继而又在第10秒时又突然变成10m/s，在第14秒的时候又突然回到9m/s。

通过以上实验，可以看出，在控制发电机的铜耗得到最小化时，系统输出的电网功率高于其他。由此得出结论：双馈型风力发电机在铜耗最小化和捕获最大风能时的控制，能有效的利用风能，提升发电体统的运行效率。

结语

笔者在双馈型风力发电机的特点和数学建模的基础上。又提出了一种方法来捕获最大风能、最小电机铜耗。也通过大量的理论和实践、包括查找资料等等试验，达到了能使双馈型发电机的变速恒频最有效利用风能的方法。传统的方法需要实时的测量风速，而现在这种办法省去了这一操作，也省略了控制功率的环节，包括结构的控制也相对要简单的多。

参考文献：

[1]王宇.双馈风力发电系统控制技术研究[D].天津大学，2009.

[2]于水.双馈风力发电系统最大风能控制策略研究[J].中国电力教育：中，2013.

作者简介：

“梁钊（1993.5-），男，陕西榆林人，华北电力大学（北京）本科单位：北京京能新能源有限公司宁夏分公司，研究方向：风能与动力工程

第二作者；张宁，男，单位；北京京能新能源有限公司宁夏分公司，高级运维员