变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究

第一篇：变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究

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变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究 作者：张凤 张晓红 卢业蕙

来源：《科技创新导报》2012年第35期

摘 要：该文分析了变速恒频双馈风力发电系统的运行区域，并针对高低风速区采取不同的控制策略，实现低风速区最大风能追踪和高风速区的额定功率保持。

关键词：风力发电机组 变速恒频 控制策略

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-00-0

1在当今新能源技术开发中，风电成为最成熟、最具开发利用的发电技术。风电机组是风电系统的重要装置，直接影响输出电能的质量和效率，因此选取合适的控制策略是保证系统安全、高效运行的关键。变速恒频双馈感应风力发电系统

变速恒频双馈感应风力发电系统中，风力机通过齿轮箱与发电机转子相连，发电机定子直接连接到电网，转子通过变频器并网。“双馈”是指发电机的定、转子同时向电网馈电。

根据不同的风速，风力发电机组主要有五个运行区域，如图1所示，每个运行区域机组的输出功率不同。

图1 双馈风力发电机组的运行区域

其中，A为并网区；B为最大风能追踪（MPPT）区域；C为过渡区；D为功率限制区。E为切出停机区。

由于风速的不断变化，风电机组运行在不同的运行区域。通常将发电机组的运行策略确定为：低风速区域，实现最大风能的追踪或使发电机的转速最大。高风速区域，实现发电机组保持额定功率输出。低风速区风力发电机组的控制策略

（1）矢量控制双馈发电机组矢量控制的目标是对发电机中复杂变量间的关系解耦，使实现控制变得简单。基于双馈发电机的动态数学模型利用基于定子磁链定向的矢量控制实现有功功率P和无功功率Q的解耦控制，再分别对其施行闭环控制，实现风电系统的变速恒频运行和最大风能捕获[1]。

（2）直接转矩控制（DTC）直接转矩控制是通过对感应发电机的磁链和转矩做滞环比较，再适当选择逆变器的开关状态实现对发电机转矩的控制，进而实现对发电机最大转速的控制。

直接转矩控制的磁链轨迹有两种形式，一种正六边形，六条边对应于六个电压矢量，通过切换逆变器的开关状态，实现对磁链轨迹的控制[2]；另一种圆形，通过实时计算发电机的转矩和磁链的误差，结合定子磁链的空间位置选择相应的开关矢量。

（3）滑模变结构控制滑模变结构控制是利用其高速开关特性将系统的相轨迹引导到一个设计好的曲面上，使系统的状态变量在设计好的的曲面上做滑模运动。双馈感应发电系统以功率相对误差作为切平面，实现误差跟踪和风能最大捕获[3]；以力矩为控制信号，解决滑动模切换抖动的问题。高风速区风力发电机组的控制策略

当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入功率限制区。变桨距控制技术是指通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的转矩或者功率，在高风速区域通过对桨叶节距角的调整，调节发电机的输出功率保持

恒定。

（1）模糊PID控制。模糊PID控制在双馈风电系统的应用是将控制规则利用模糊集表示成规则库存入到计算机，计算机根据实际响应状况进行模糊推理，实现对PID参数的最优调整，改善了系统的动态性能，提高系统的抗干扰性和鲁棒性。给定信号为发电机的限制功率或转速，反馈信号与给定信号比较，对误差和误差的变化率进行模糊推理，对PID参数进行调整后发出桨叶节距角信号，控制节距角增大或减小[4]。

（2）H∞鲁棒控制。H∞鲁棒控制是指在Hardy空间中通过一些性能指标的无穷范数将被控系统的设计问题转变为H∞范数最小化的问题。在风速和风向不断变化的情况下，利用鲁棒控制器设计的转速控制器使发电机在设定好的风速范围内运行，实现在低风速区的最大风能追踪和高风速区的保持额定功率控制[5]。结语

该文针对不同运行区域的控制目标，分析了风力机特性，研究了实现最大风能追踪的控制策略，通过调节机组转矩或转速，保持最佳叶尖速比，追踪最佳功率曲线。在高风速区域，对发电机组的变桨距控制技术进行研究，并对各控制方式进行分析总结。

参考文献

[1] 张志，清灵，朱一凡.变速恒频双馈风力发电系统最大风能捕获[J].电机与控制应用，2010，37（4）：18-21.[2] 邢作霞，郑琼林.双馈变速恒频风力发电机组直接转矩控制[J].辽宁工程技术大学学报，2006，25（4）：556-559.[3] 刘远涛，杨俊华，谢景凤，等.双馈风力发电机有功功率和无功功率的滑模解耦控制[J].电机与控制应用，2010，37（4）：39-43.[4] 王江.风力发电变桨距控制技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.[5] 张先勇，吴捷，杨金明，等.额定风速以上风力发电机组的恒功率H∞鲁棒控制[J].控制理论与应用，2008，25（2）：321-324.

第二篇：风力发电机组检测与控制

«风力发电机组检测与控制»

课程编号:

课程名称：«风力发电机组检测与控制»英文名称：《monitoring and control of wind turbine generator system 》总 学 时：48

总 学 分：

3适用对象: 风能与动力工程专业本科学生

先修课程：«自动控制原理、风力发电原理»

一、课程性质、目的和任务

该课程为风能与动力工程本科专业学生必修课，目的使学生了解风力发电机组检测与控制系统的组成与结构原理；掌握与风力发电机组相关信号、过程参数的检测方法；控制系统构成与控制方法分析。为今后从事风力发电机组设计、运行与维护工作打下基础。

二、教学要求和内容

«基本要求»：学习并掌握不同风力发电机组对检测与控制系统的要求，学习掌握机组主要测量参数的测量原理，控制对象与控制系统结构与工作原理。

«基本内容»：风力发电机组检测与控制系统的组成，机组运行过程电气、风力、机组状态参数检测，机组启动、运行、故障等过程控制。

三、教学安排及方式

采取以课堂讲授为主，课堂讨论和实验为辅的教学手段，结合控制系统实验台使学生有直观形象的知识掌握。

五、推荐教材和教学参考书

教材：自编

参考书：《风力发电机组的控制技术》叶杭冶编著 机械工业出版社

六、补充说明

大纲执笔者：吕跃刚大纲校对者： 大纲审核者： 制定日期：

第三篇：双馈风力发电机功率解耦控制的研究

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双馈风力发电机功率解耦控制的研究

作者：齐向东 史岩鹏

来源：《现代电子技术》2012年第18期

摘要：介绍双馈风力发电机的基本原理，利用矢量控制并结合定子磁场定向的矢量控制，建立基于Matlab的双闭环控制系统仿真模型。为了更为准确地实现定子磁场定向并考虑到定子绕组电阻对磁场定向的影响，采用改进型的定子磁链观测模型。通过仿真验证了采用改进型定子磁场定向的双馈风力发电控制系统，实现了有功功率和无功功率解耦。

关键词：矢量控制；磁场定向；双馈风力发电机；双闭环控制系统

中图分类号：TN911—34文献标识码：A文章编号：1004—373X（2012）18—0185—03引言

风能作为一种清洁可再生能源，在资源消耗日益增长的今天，其发展前景相当可观。而采用双馈风力发电机作为风力发电设备有着显著的发展优势，风力发电的发展将大规模减少常规能源的消耗，有效地改善我国的能源结构。

变速恒频风力发电控制技术[1—2]是目前最优的控制方式。交流励磁变频器只需提供转差功率就能大大减小变频器的容量，它可以通过调节电机转子励磁电压频率，实现定子电压恒频输出，通过磁场定向调节转子电流的转矩分量和励磁分量[3—4]，实现功率的独立调节，进而实现风力发电机的最大风能跟踪。

第四篇：风力发电机组的基本控制策略

风力发电机组的基本控制策略

2008年10月29日 星期三 16:29

(一)风力发电机组的工作状态

风力发电机组总是工作在如下状态之一：①运行状态；②暂停状态；③停机状态；④紧急停机状态。每种工作状态可看作风力发电机组的一个活动层次，运行状态处在最高层次，紧停状态处在最低层次。

为了能够清楚地了解机组在各种状态条件下控制系统是如何反应的，必须对每种工作状态作出精确的定义。这样，控制软件就可以根据机组所处的状态，按设定的控制策略对调向系统、液压系统、变桨距系统、制动系统、晶闸管等进行操作，实现状态之间的转换。

以下给出了四种工作状态的主要特征及其简要说明。

(1)运行状态：

1)机械刹车松开；

2)允许机组并网发电；

3)机组自动调向；

4)液压系统保持工作压力；

5)叶尖阻尼板回收或变桨距系统选择最佳工作状态。

(2)暂停状态：

1)机械刹车松开；

2)液压泵保持工作压力；

3)自动调向保持工作状态；

4)叶尖阻尼板回收或变距系统调整桨叶节距角向90°方向；

5)风力发电机组空转。

这个工作状态在调试风力发电机组时非常有用，因为调试风力机的目的是

要求机组的各种功能正常，而不一定要求发电运行。

(3)停机状态

1)机械刹车松开

2)液压系统打开电磁阀使叶尖阻尼板弹出，或变距系统失去压力而实现机械旁路；

3)液压系统保持工作压力；

4)调向系统停止工作。

(4)紧急停机状态：

1)机械刹车与气动刹车同时动作；

2)紧急电路(安全链)开启；

3)计算机所有输出信号无效；

4)计算机仍在运行和测量所有输入信号。

当紧停电路动作时，所有接触器断开，计算机输出信号被旁路，使计算机没有可能去激活任何机构。

第五篇：风力发电机组控制技术学习心得体会

风力发电机组控制技术学习心得体会

在风力发电系统中，控制技术和伺服传动技术是其中的关键技术。这是因为自然风速的大小和方向是随机变化的，风力发电机组的切入和切出、输入功率的限制、风轮的主动对风以及对运行过程中故障的检测和保护必须能够自动控制。同时，风力资源丰富的地区通常都是海岛或边远地区甚至海上，分散布置的风力发电机组通常要求能够无人值班运行和远程监控，这就对风力发电机组的控制系统的可靠性提出了很高的要求。

要研究一套可靠的风电控制系统，首先要了解风力机工作的基本原理，包括风力机的能量转换过程、空气动力特性、简化叶素动量理论和涡流理论等。掌握以上知识，才能知道在何种情况下应进行何种控制以及对哪些参数进行控制才能达到相应效果。

在对风力机的控制策略进行归纳后得出风力机的控制要素主要有以下几部分：转速、偏航、停机、发电机。其中转速控制分为定桨距控制和变桨距控制，变桨距控制又可分为恒速恒频和变速恒频控制。定桨距控制的策略是在风速过大时采取失速控制以防转速过大，变桨距控制则相对灵活主要通过调节桨距角和转速使风力机的运行符合要求。

目前风力发电机组的控制技术从机组的定桨距恒速运行发展到基于变速恒频技术的变速运行，对于风力机的变速恒频运行，除需要了解风力机的原理之外，还需掌握风电机组控制系统的特性。这种特性主要是风力机的功率因数与叶尖速比和桨距角的关系。对于某一固定的桨距角，存在唯一的最佳速比使得功率因数最大。而对于任意的叶尖速比，桨距角为0度时功率因数相对最大，桨距角增大，功率因数明显减小。根据这种特性，变速恒频控制的策略就是在额定功率前都将桨距角置于最小的位置，一般3度左右，这时调节发电机的转速n，使得叶尖速比始终对应最佳功率因数点。当风速超过额定风速时，则增大桨距角使风力机的功率稳定在允许范围之内。

可以说，这种控制策略已经基本实现了风力发电机组从能够向电网提供电力到理想地向电网提供电力的最终目标。而依据这种策略研发风电机组的控制系统则是我们今后工作的重要一环