一种大型永磁同步风力发电机组最大能量跟踪-转换技术浅谈

一种大型永磁同步风力发电机组最大能量跟踪-转换技术浅谈

任娜 ,张博 ,黄全盼,赵晓峻,黄阳

（明阳智慧能源集团股份公司，528437）

摘 要：目前风力发电机组容量的增大，永磁同步风力发电机组成为趋势，针对风力发电机组迎面的风速随机性和不确定性，如何最大效率的实现风能转化为电能是技术发展的关键。本文基于永磁同步风力发电机的特点及理论分析，比较了不同的永磁风力发电机组的电能变换系统，分析了针对不同的电能变换系统，如何以最佳叶尖速比实现最大风能捕获，同时，介绍了其他的最大风能追踪技术。

关键词：最佳叶尖速比；最大风能控制；电能变换；永磁同步风力发电机组

1引 言

全球风能资源分布广泛，风能凭借自身具有的优势，成为目前可再生能源发展的重点。风电场装机容量增加的同时，单机容量也不断增大，低风速，大容量成为风电机组发展的趋势，这其中又以永磁同步风力发电机组优势尤为突出，成为技术首选。然而受自然条件制约，风电机组运行小时数低，可利用率低，这制约着风力发电的发展。因而研究风能最大捕获及转换效率则具有重要意义。同时，根据不同类型永磁同步风电机组自身的特点，选择合适的控制策略也至关重要。

2大型永磁同步风力发电系统

2.1永磁同步风力发电机组

永磁同步风力发电机组的基本结构包括：叶轮系统、（传动增速系统）、永磁同步发电机、电能变换系统、控制系统等。

永磁同步风力发电机组大多采用中、低速永磁同步发电机，该发电机的优点是转子在转速不高的情况下就能产生电能，因此省去了传动增速系统或者减小了增速系统的体积，使风力发电机组体积、重量和成本都大大降低。另外，我国稀土永磁资源丰富，技术水平也逐渐提高，并且伴随电力电子技术的大力发展，都为永磁风力发电技术的发展奠定了基础。

永磁同步风力发电机组的基本运行原理是：叶轮系统直接或通过传动增速系统与永磁同步发电机转子相连，叶轮吸收的风能转化为机械能后通过发电机转换成电能。受风速影响，叶轮转速处于随风速波动的状态，发电机输出的是频率和幅值都不断变化的交流电。这些电能经过整流系统转换成直流电，再经过电力电子器件，输送到网侧逆变器中，最终将直流电转换成定频、定幅、同相位的符合并网要求标准的三相交流电，接入电网。

永磁同步风力发电机的优点：

（1）永磁同步发电机与普通异步发电机相比，其转子上没有励磁绕组和集电环，这种结构不仅简单，而且提高了系统的可靠性；同时在发电的过程中不会产生铜耗，进一步提高了系统的运行效率；

（2）通过电力电子器件，永磁同步发电机较容易实现有功功率和无功功率的解耦控制，提高功率因数。

（3）与其他型风力发电系统相比，永磁同步风力发电机组不直接与电网相连，而是柔性接入电网，这具有更强的低电压穿越能力和电网适应性能力。

2.2永磁同步风力发电机组电能转换系统

永磁同步风力发电机的优点众多，电能转换系统对其起着至关重要的作用。根据永磁同步风力发电系统的运行原理，目前业界主流的永磁风力发电机组电能变换系统主要有以下两种：

（1）不可控整流器＋直流侧升压稳压逆变器

该结构主要有二极管不可控整流器和Boost升压、稳压及逆变回路组成，我们简称为并网结构1。永磁同步发电机侧输出的交流电通过多组不可控整流器整流为直流电，经过稳压电容支撑后，再增加一级Boost升压环节，将原先较低电压的直流电转换成电压较高的直流电，再通过逆变器转换成三相交流电，输入电网。

这种结构的优点是：整流系统体积小巧、简单易安装维护，稳定性强，存在升压环节，可使风电机组运行在较宽转速范围。

这种结构也存在缺点：由于发电机侧采用的是不可控整流器，不能直接控制发电机的电磁转矩，对风力发电机组的控制不够精准，影响风电机组运行效率。

（2）背靠背双PWM变流器

与前一种并网电路相比，该种变流器采用背靠背式双PMW结构，我们简称为并网结构2。通过控制器，在发电机侧的PMW整流器能有效的控制发电机侧输入的交流电，并实现精确的电磁转矩控制；电网侧为PMW逆变器结构，可以实现并网侧功率的单位功率因数控制；电机侧PWM整流器与网侧PWM逆变器之间通过支撑电容连接。整个系统控制方法灵活，可以有针对性的提高系统运行稳定性。

但是这种结构也存在缺点：随着单机容量的增加，变流系统容量也随之增大，由于采用了双PMW结构，电力电子器件使用量增多，不但系统成本提高，部件体积加大，而且控制算法也更加复杂。

3风力发电技术基础及最大风能捕获

风力发电机组单位时间内从风中吸收的风能可用下式1表示：

式中:Pm为风轮吸收的功率，Cp为风能利用系数，它代表叶轮捕获风能的能力，S为叶轮扫风面积，为空气密度，v为风速，R为叶轮半径。

由上式可知，风力发电机组从风中吸收的功率与空气密度、风速v、叶轮半径R和风能利用系数Cp等都有关；同时，由于空气密度、风速、叶轮半径等均不受控或者为定值，因此，为了使风力发电机组从风中获得最大的风能捕获，只能调整叶轮的风能利用系数C

p。根据贝茨理论，风力发电机组的风能利用系数Cp与风机叶片参数（如翼型、攻角、桨距角等）和叶轮转速等有关，风力发电机组的风能利用系数的理论最大值是0.59，其实际值通常在0.47左右。而实际中针对某型叶片，一般由整机厂根据叶片设计测定。

风能利用系数Cp 是关于桨距角β和叶尖速比的函数，它反映了风轮利用风能的效率。当桨距角不变的情况下，常用Cp- （叶尖速比）的关系曲线来表示该风力机的空气动力特性，其中风轮的叶尖速比为风轮叶尖的线速度与风速的比值，即：

式中：n为叶轮转速；R为风轮半径；ω为风轮旋转角速度；v为风速。

     （2）

      （3）

          （4）

综合式（1）、（2）、（3）、（4）可知，在一定的风速下，风机吸收的风能取决于系数Cp()，在不同的风速下，只要控制叶轮转速n,使得叶尖速比=opt，此时Cp()=Cpmax，就可得到该风速下的最大风能获取。

4最大风能获取的实现

由于在同一风速下，风力发电机组输出的功率由风力发电机组的转速决定。因此，要想追踪最佳功率曲线输出，实现最大风能捕获，风力机转速的控制至关重要，即要求随着风速变化实时调整风力机转速，使其始终保持在最佳叶尖速比运行。

风力发电机组在运行过程中，根据实际风速的不同，并依据风力发电机机组的结构特点，基本可以将最大风能获取分解为2个控制阶段：

（1）当风力发电机组运行在额定风速以下时，机组控制的目标在于最大可能获取风能，因此桨叶角度维持在最小角度，同时依据最优叶尖速比理论，通过实际风速得出最优发电机转速，通过电能转换系统控制发电机的转子转速，实现最优叶尖速比控制，保证机组运行在最大风能追踪状态，该阶段的控制我们成为转速控制之转矩控制。

（2）实际风速等于额定风速或大于额定风速时，受风力发电机组整体机械强度、发电机容量和变频器容量等的条件限制，须约束风轮捕获的风能，通过变桨系统的控制调节，通过改变桨叶角度，以达到改变吸收的风能，稳定叶轮转速，使机组功率输出平稳在额定值附近，该阶段的控制我们成为转速控制之变桨控制。

4.1电能转换侧转速控制

通过对永磁同步风力发电机组数学模型的研究，可得永磁同步风力发电机组的转矩方程为：

   （4）

Tm、Te为发电机的转子侧的输入转矩和电磁转矩；ωg为发电机转速；J为发电机的转动惯量；Fω为阻尼系数。可以看出，在发电机转子侧输入转矩一定的情况下，对于发电机转速的控制，可以通过调整发电机的电磁转矩来实现。通过abc-αβ-dq坐标变换，可以得出：

   （5）

其中，Pn为发电机的极对数；Ld、Lq为坐标变换后d、q轴电感；Ψf为转子在定子上的耦合磁链；ig为定子电流空间向量；β为发电机定子电流与d轴的夹角。

从上式可以看出，发电机的电磁转矩取决于电机的定子电流，通过控制坐标变换后的定子电流来控制发电机的电磁转矩，最终控制发电机转速。

4.2永磁同步风力发电机组转速控制之转矩控制

由于永磁同步风力发电机组的结构不同，具体实现又有所不同。

4.2.1常用控制策略的实现

爬山法的基本原理是将当前检测到的功率与上次检测到的功率进行对比，如果比较的结果为正，则保持上一次指令的更新方向；反之，则改变指令的更新方向，这样反复比较最终跟踪到系统的最大功率点，并使系统保持在该点附近反复变化。这种控制方法控制简单灵活。

针对并网结构1，由于发电机侧为不可控整流电路，发电机的转矩控制则可以通过依据爬山法策略调整Boost升压电路的输入直流电流，来实现最佳转速跟踪，从而达到最大功率输出。

图1 并网结构1转矩控制框图

针对并网结构2，由于发电机侧为可控的PMW电路，因此可以采用矢量控制等方法，依据实时精确测量的风速、发电机转子位置和转速，确定最佳转矩，控制发电机定子电流，实现最大功率追踪。

4.2.2其他控制策略的实现

（1）直接功率控制方法

直接功率控制法需要先对原型机，在不同风速下，测量不同转速对应的不同功率，通过实测得出最大功率对应转速曲线。在机组实际运行期间，将实时转速对应的风力机最大输出功率与实测数据做比较，其差值作为功率控制的输入，实时调整风电机组的功率输出，保证机组运行在最大功率点状态。这种方法算法简单，稳定性强，对机组冲击小，但可移植性小，针对不同的风况以及部件配置的不同，需要重新测定最大功率对应曲线，从而可能会影响机组的发电效率。

（2）智能控制方法

随着控制技术的发展，模糊控制和神经元网络控制等智能控制技术也被引入到风电机组控制方法中。针对风力发电机组非线性、时变、滞后等特性，模糊控制具有较强的鲁棒性、适应性、强健性及容错性，使得模糊控制在最大功率控制技术中具有优势。但是需要专家系统和误差选择，因此需要大量和长期的数据积累和遴选。神经网络控制需要机器学习，也需要大量的观测数据，并且需要基本理论支撑。风力机的特性会随着时间而改变，因此需要周期性的训练，才能保证神经网络跟踪控制的准确性。

4.3风力发电机组转速控制之变桨控制

在额定风速以上时，变桨控制通过实时调节桨叶角度，限制叶轮获取的风功率，保证发电机转速稳定在额定转速。变桨控制的实现过程包括：通过对测量桨叶角度进行实时查表得到PID控制器的比例、积分参数和微分参数，发电机测量转速通过二阶低通滤波和Notch滤波后与给定转速进行比较，比较得到的偏差进行PID控制并进行限幅后得到给定桨叶角度设定输出。

变桨控制输出的限幅最小值根据风机运行在不同模式时而不同，然后通过变桨速率限幅将桨叶角度给定限制在允许范围内。

变桨系统控制框图如下图1所示。

图2 变桨系统控制框图

5结论

随着绿色能源的大力发展，风力发电在我国能源结构中的比重逐年提高，风力发电技术逐渐由国外引进变为适应我国自然工况的独立开发，在保证机组稳定运行的前提下，提升单台风机的最大风能获取能力成为风电技术的又一突破点。

本文对永磁同步风力发电机组的基本特性进行了阐述，比较了目前两种主流的永磁同步风力发电机组电能变换系统的特点，在对风力发电机组运行特性，及最优叶尖速比理论进行深入分析后，分别阐述了针对两种电能变换系统的最大风能获取的实现方法。并对其他的控制方法进行了讨论，比较。

随着风机单机容量的增加，以及海上风电的发展，最大风能获取技术将会得到更大的应用和实践。

参考文献

[1]许洪华，倪受元.独立运行风电机组的最佳叶尖速比控制[J].太阳能学报，1998,19（1）：30-35.

[2]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]赵仁德，王永军，张加胜.直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制[J].中国电机工程学报，2009,29（27）：106-107.

[4]黄守道，卢季宁，黄科元.新型爬山算法在大惯性风电系统中的应用[J].控制工程，2010,17（2）：228-229.

作者简介

任娜（1986-），女，明阳智慧能源集团股份公司，控制系统副首席工程师，电气工程师，从事大型并网风力发电机组控制系统的研发。