風電場接入分析課件

風力發(fā)電機組模型及其控制第二章聯(lián)系方式：51687109電氣樓611

WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院Contents風力機分類概述恒速風機的原理及控制雙饋風機的原理及控制直驅(qū)式風機的原理及控制重點：主流風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)、運行特點和控制方法。難點：風電機組的并網(wǎng)控制。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院風力機分類概述以速度控制為標準，把風力機分為恒速和變速兩種主要的類型。恒速風機又可以分為失速型、槳距可控型和主動失速型。變速風機現(xiàn)在常見的型號有雙饋電機（DFIG）和直驅(qū)式永磁同步電機（DMSG）。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院風力機分類概述恒速風機

恒速風機多采用鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機并通過變壓器直連電網(wǎng)。因為鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機經(jīng)常從電網(wǎng)吸收無功功率，所以此類型風力機使用電容器組來進行無功功率補償，使用軟啟動器獲得更平穩(wěn)的電網(wǎng)電壓。無論恒速風力機使用哪種功率控制原理，風的波動都要轉(zhuǎn)化成機械波動，進而轉(zhuǎn)化成電功率波動。弱電網(wǎng)中，這些波動會引起連接點電壓波動。恒速風力機從公共電網(wǎng)中吸收的無功功率隨電壓波動變化（除非有電容器組），增加了電壓波動和傳輸線損耗。因而，此類型的主要缺點是它不支持任何速度控制，需要剛性電網(wǎng)，其機械約束也必須能容忍高機械應(yīng)力。恒速風機又可以分為失速型、漿距可控型和主動失速型。返回WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院風力機分類概述失速型失速控制是傳統(tǒng)類型，早在20世紀80年代和90年代就被許多丹麥風力機制造商采用（即上風向失速調(diào)節(jié)型三槳葉風力機）。相對低廉的價格、簡單和堅固耐用的特性使其十分流行。但是失速控制型風力機不能實現(xiàn)輔助啟動，這意味著無法控制風力機功率。返回WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院風力機分類概述槳距可控型槳距控制型風力機已經(jīng)商業(yè)化。它的主要優(yōu)點是可控功率、可控啟動和緊急停車。主要缺點是高風速時即使很小的風速變化也會導致很大的輸出功率波動。槳距機構(gòu)的反應(yīng)速度不足以避免這樣的功率波動。槳葉調(diào)節(jié)能補償風的緩慢變化，但陣風情況是不能補償?shù)摹７祷豔indPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院風力機分類概述變速風機變速風力機在很寬的風速范圍內(nèi)都能達到最大氣動效率。變速運行使它可以連續(xù)地調(diào)節(jié)（加速或減速）風力機轉(zhuǎn)速ω以適應(yīng)風速v的變化。這種方式下，葉尖速比λ在對應(yīng)最大功率系數(shù)的設(shè)定值上保持恒定。與恒速系統(tǒng)相比，變速系統(tǒng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)矩相當恒定，風速變化被發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化所吸收。變速風力機的電氣系統(tǒng)比恒速風力機更復雜。它的典型配置是感應(yīng)或同步發(fā)電機，通過功率變換器并網(wǎng)。功率變換器控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速；即，風速變化引起的功率波動主要通過風輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速，從而通過風力機轉(zhuǎn)子速度變化吸收。變速風力機的優(yōu)點在于增強了能量捕獲能力，改善了電能質(zhì)量以及減小了風力機的機械應(yīng)力；缺點是有電力電子設(shè)備損耗，需要使用更多器件和因使用電力電子設(shè)備而增加成本。變速風力機類型的引入增加了可應(yīng)用發(fā)電機類型，也提供了發(fā)電機類型與功率變換器類型組合的自由度。返回WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院風力機分類概述轉(zhuǎn)子電阻可調(diào)的感應(yīng)發(fā)電機此類型對應(yīng)的是含可變轉(zhuǎn)子電阻的有限變速風力機，丹麥風力機制造商Vestas公司在20世紀90年代中期開始使用。它用繞線感應(yīng)發(fā)電機直接并網(wǎng)；用電容器組進行無功功率補償；用軟啟動器使并網(wǎng)更平穩(wěn)。此類型的獨特之處是有可變附加轉(zhuǎn)子電阻，能用安裝在轉(zhuǎn)子軸上的光控變換器改變其電阻值，從而使總轉(zhuǎn)子電阻是可控的。光耦替代了昂貴的、需要電刷和支架的滑環(huán)，并且轉(zhuǎn)子電阻可變使得轉(zhuǎn)差也可變。這種方式下，系統(tǒng)的功率輸出是可控的，可變轉(zhuǎn)子電阻的大小決定了動態(tài)速度控制范圍，典型地是高于同步轉(zhuǎn)速的0~10%。外部功率變換單元的能量以熱損耗方式消耗掉。返回WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院風力機分類概述雙饋電機（DFIG）

此類風機含繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機和轉(zhuǎn)子電路中部分容量變頻器（風機容量額定值約30%）的有限變速風力機。變頻器用來進行無功功率補償，并使并網(wǎng)更平穩(wěn)。雙饋風機的變頻器的容量決定了此類風力機具有更寬的動態(tài)速度控制范圍，一般為同步轉(zhuǎn)速的-40%~30%。因其變頻器的容量較小，所以此類風力機更經(jīng)濟。它的主要缺點是需要增加齒輪箱以及滑環(huán)和需要有電網(wǎng)故障保護。返回WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院恒速風機的原理及控制1.恒速風機特點2.鼠籠型異步發(fā)電機數(shù)學模型3.恒速風機的并網(wǎng)控制按發(fā)電機的不同，恒速恒頻風電機組可以分為：異步發(fā)電機組同步發(fā)電機組WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院恒速風機的原理及控制異步發(fā)電機特點靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負荷，對機組調(diào)速精度要求不高，不需要同步設(shè)備和整步操作，轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，進行并網(wǎng)；控制裝置簡單，并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步，運行穩(wěn)定；直接并網(wǎng)時產(chǎn)生的過大沖擊電流造成電壓大幅度下降，影響系統(tǒng)安全；當輸出功率超過最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的功率會引起網(wǎng)上飛車；過高的系統(tǒng)電壓會使無功激磁電流增加，定子電流過載，功率因數(shù)下降；本身不發(fā)出無功功率，需要無功補償。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院恒速風機的原理及控制同步發(fā)電機特點傳統(tǒng)電力系統(tǒng)廣泛采用；既能輸出有功功率，又能提供無功功率；頻率穩(wěn)定，電能質(zhì)量高；對并網(wǎng)條件要求嚴格，需要專門的同步和整步設(shè)備；風速隨機變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時其調(diào)速性能很難達到同步發(fā)電機的要求精度；并網(wǎng)后若不進行有效的控制，常會發(fā)生無功振蕩與失步問題，在重載下尤其嚴重。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院恒速風機的原理及控制恒速恒頻風電機組并網(wǎng)的特點轉(zhuǎn)速接近同步速時，進行直接并網(wǎng)；并網(wǎng)沖擊電流大，電能質(zhì)量不高；風機的轉(zhuǎn)速隨風速變化而改變，轉(zhuǎn)速變化輸出功率脈動；異步電機吸收無功，對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定不利;同步電機并網(wǎng)要求嚴格，需要專門的輔助設(shè)備，增加成本結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單，節(jié)省成本。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院恒速風機的原理及控制2.鼠籠型異步發(fā)電機數(shù)學模型鼠籠型異步發(fā)電機等效電路如下：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院恒速風機的原理及控制鼠籠型異步發(fā)電機向量圖：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院恒速風機的原理及控制3.恒速風機的并網(wǎng)控制（1）無功控制風電機組接入電網(wǎng)，通常需要加入無功補償裝置。補償設(shè)備：電容器組；電力電子設(shè)備：SVC、STATCOM等。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院恒速風機的原理及控制（2）電壓控制軟并網(wǎng)（SoftCut-in）技術(shù)目標：減小并網(wǎng)沖擊電流。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制1.雙饋風機的特點2.雙饋風機的數(shù)學模型3.雙饋風機的并網(wǎng)控制4.雙饋風機的低電壓穿越WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制雙饋感應(yīng)發(fā)電機（DFIG）定子直接與工頻電網(wǎng)相接，轉(zhuǎn)子經(jīng)過變頻器也與電網(wǎng)相接，發(fā)電機進行有功、無功功率解耦控制，能夠提高風電機組的風能轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)最大風能捕獲并為系統(tǒng)的無功-電壓調(diào)節(jié)提供有效的手段。對于雙饋感應(yīng)發(fā)電機的無功補償是通過控制變流器的輸出電流實現(xiàn)的,從而達到電壓穩(wěn)定調(diào)整的目的，因此與恒速恒頻風力發(fā)電機相比，它不需要傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)無功補償裝置。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制DFIG結(jié)構(gòu)簡圖如下：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制DFIG基本方程：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制亞同步運行功率流動關(guān)系超同步運行功率流動關(guān)系WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制三相靜止坐標系下DFIG的數(shù)學模型：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制dq旋轉(zhuǎn)坐標系下DFIG的數(shù)學模型：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制考慮磁鏈暫態(tài)時DFIG的基本方程：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制3.雙饋風電機組的并網(wǎng)控制（1）無功控制

風機通常通過電力電子變頻裝置接入電網(wǎng)，既能輸出有功功率，又能提供無功功率。（2）電壓控制

風機通常通過電力電子變頻裝置對定子電壓進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)平穩(wěn)并網(wǎng)。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制DFIG并網(wǎng)前控制空載并網(wǎng)控制負載并網(wǎng)控制WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制雙饋型風力發(fā)電機空載并網(wǎng)原理框圖：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制雙饋型風力發(fā)電機負載并網(wǎng)原理框圖：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制并網(wǎng)后控制－－無功控制目標：控制無功輸入，穩(wěn)定電壓。措施：電容器組投切動態(tài)無功補償變流器動態(tài)補償WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制并網(wǎng)后控制－－電壓控制目標：控制變流器輸出，穩(wěn)定電壓。實現(xiàn)最大風能的捕獲。措施：平穩(wěn)直流環(huán)節(jié)電壓控制輸出功率因數(shù)WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制實現(xiàn)最大風能捕獲的常用方法：葉尖速比法爬山法功率信號反饋法WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制功率解耦法控制框圖：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制參考功率指令有功功率和無功功率的計算方法其中

WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學模型WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院雙饋風機的原理及控制網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖:WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制隨著技術(shù)的發(fā)展，直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機組顯示了較大的發(fā)展?jié)摿?。與雙饋型風機相比：

1.采用多級永磁同步發(fā)電機，同步轉(zhuǎn)速低，可與風力機直接相連，無需齒輪箱，機組噪聲降低，能量轉(zhuǎn)換效率提高；

2.永磁同步發(fā)電機運行效率搞，且不存在滑環(huán)和電刷，能顯著提高機組的可靠性；

3.電機定子繞組通過全功率變流裝置接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)波動的適應(yīng)性好，網(wǎng)側(cè)功率控制更加靈活。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制1.直驅(qū)式風機的數(shù)學模型與結(jié)構(gòu)特性；2.直驅(qū)式風電機組的控制策略；3.直驅(qū)式風機的低電壓穿越特性。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制1.直驅(qū)式風機的數(shù)學模型與結(jié)構(gòu)特性；1.1直驅(qū)式風機的數(shù)學模型（1）風力機模型（空氣動力學部分）根據(jù)貝茲原理，風機輸入功率滿足：其中，為風力機吸收的從動能轉(zhuǎn)化來的機械功率，A為槳葉掃掠面積，V為風速，Cp為功率系數(shù)，是風力機吸收功率與通過槳葉旋轉(zhuǎn)面的全部風能的比例，直接反映風力發(fā)電系統(tǒng)對風能的利用率。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制葉尖速比為槳葉的葉尖線速度與風速的比值。令槳葉半徑為R，為葉片旋轉(zhuǎn)的角速度，則葉尖速比可以表示如下：功率系數(shù)Cp是槳距角和葉尖速比的函數(shù)，其函數(shù)表達式根據(jù)各風機的設(shè)計而定，當風機一旦被設(shè)計好，其Cp關(guān)于槳矩角和葉尖速比的函數(shù)也唯一確定了。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制如圖給出了Cp關(guān)于葉尖速比和槳矩角的曲線?？梢娫跇嘟且欢〞r，隨著風速和風機轉(zhuǎn)速的變化，存在一個最優(yōu)的葉尖速比，使得功率系數(shù)取得最大值；當葉尖速比一定時，隨著槳距角的增大，所對應(yīng)的功率因數(shù)系數(shù)也呈下降趨勢。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制（2）PMSG數(shù)學模型隨著電機調(diào)速控制理論、電力電子和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及永磁材料性能價格比的不斷提高，永磁同步電機的變頻調(diào)速進人到深人研究和廣泛應(yīng)用的階段。由永磁體建立磁極磁場的永磁同步電機，具有體積小、重量輕、不需要電刷和滑環(huán)，省去勵磁繞組，可靠性高，無勵磁損耗，電機的效率和功率因數(shù)大大提高，因此已經(jīng)逐步取代直流伺服電動機而用于高性能的交流伺服系統(tǒng)中。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制由于三相靜止坐標系下用永磁同步電機數(shù)學模型中參數(shù)為變參數(shù)，因此矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計一般采用其dq坐標系下的動態(tài)數(shù)學模型。由于沒有轉(zhuǎn)子勵磁繞組，忽略鐵心飽和與電機繞組漏感，假設(shè)氣隙中磁勢呈正弦分布，忽略磁場的高次諧波，運用坐標變換理論，可以得到永磁同步電機在同步旋轉(zhuǎn)的兩相坐標系下的數(shù)學模型，等值電路如下圖所示。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制數(shù)學模型如下：式中：和分別為發(fā)電機的d軸和q軸電流；和分別為發(fā)電機的d軸和q軸電感；為定子電阻；為電角頻率，；為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速；為永磁體的磁鏈；和分別為電壓的d軸和q軸分量。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制定義q軸的反電勢，d軸的反電勢，假設(shè)發(fā)電機d軸和q軸電感相等，即，PMSG的數(shù)學模型可以寫為：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制（3）傳動軸模型由于沒有齒輪箱，風輪機轉(zhuǎn)軸直接與發(fā)電機轉(zhuǎn)子相連，因此。為發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，為風輪葉片的角速度。直驅(qū)式風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)模型為：式中：為機組的等效轉(zhuǎn)動慣量；為轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)；為發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩；為風輪機的輸出轉(zhuǎn)矩。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制PMSG的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為：假設(shè)，則可以簡化為：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制1.2直驅(qū)式風機的變頻原理結(jié)構(gòu)特性

下圖為2種常見的直驅(qū)式風機的變頻拓撲結(jié)構(gòu)：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制如上圖所示的直驅(qū)式永磁同步風電機組系統(tǒng)。該系統(tǒng)有兩種拓撲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為便于分析，通常將電網(wǎng)側(cè)變流單元稱為網(wǎng)側(cè)變流器，將發(fā)電機側(cè)變流單元稱為電機側(cè)變流器。對比圖（a）（b）不難發(fā)現(xiàn)，二者的網(wǎng)側(cè)變流器拓撲結(jié)構(gòu)相同，均采用三相PWM整流電路；而電機側(cè)變流器拓撲結(jié)構(gòu)則有所不同，圖（a）采用不控整流加升壓斬波電路，成為被動整流拓撲；圖（b）采用三相逆變器電路，成為主動整流拓撲。兩種全功率變流器拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理簡單解釋如下。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制（1）被動整流拓撲首先，不控整流橋?qū)l(fā)電機發(fā)出的幅值、頻率均變化的三相交流電轉(zhuǎn)換為直流；其次，升壓斬波器通過調(diào)節(jié)其輸入電流控制發(fā)電機的負載轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)對發(fā)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；第三，PWM整流器將電機側(cè)的輸入功率轉(zhuǎn)換為恒幅恒頻的三相交流電饋入電網(wǎng)，保證網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，并減少對電網(wǎng)的諧波污染。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制（2）主動整流拓撲與前者的主要區(qū)別在于，三相逆變器取代了不控整流和升壓斬波單元，控制發(fā)電機負載轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制（3）兩種結(jié)構(gòu)對比：被動整流拓撲通過控制斬波器輸入電流調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)起來相對簡單可靠，但由于采用不控整流，控制上無法實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦，同時電機定子電流低次諧波含量偏大。主動整流拓撲能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)電機的高性能控制，也避免了不控整流和升壓斬波兩級結(jié)構(gòu)給系統(tǒng)增加的復雜性，但同時也將引入逆變器驅(qū)動電機系統(tǒng)的負面效應(yīng)，需要采取相應(yīng)措施予以克服。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制2.直驅(qū)式風電機組控制策略本節(jié)主要講述直驅(qū)式風電機組的控制策略。2.1風機流程控制目標2.2風機并網(wǎng)控制2.3風機正常運行發(fā)電控制WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制2.1風機流程控制目標根據(jù)風速的大小，可以將風機的運行狀態(tài)劃分為幾個運行階段。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制風速在0m/s～預備風速為模式0，該模式也就是風機低風速停機階段；預備風速～啟動風速為模式1，也就是風機待機準備發(fā)電階段和并網(wǎng)階段；切入風速～額定風速為模式2，為風機最大功率追蹤階段，這時對直驅(qū)式風機的控制的目的是保證風機的發(fā)電功率最大；額定風速～切出風速為模式3，為恒功率輸出控制階段，這時變槳工作保證風機運行在額定功率附近；切出風速以上為模式4，風機大風停機。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制2.2風機并網(wǎng)控制并網(wǎng)過程如下：當風速在預備風速之下時，風輪所吸收的能量無法很好的利用，因此這時候風力發(fā)電機不工作，風機不并網(wǎng)；當風速達到預備風速后，風機的一部份能量可以被利用，發(fā)電機開始低速啟動，但這時發(fā)出的能量仍然不足以并網(wǎng)；直到風速達到切入風速，這時候風機才進行并網(wǎng)操作，正常發(fā)電。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制2.3風機正常運行發(fā)電控制策略風機正常運行下有2個基本目標：當風速低于額定風速時，對PMSG進行轉(zhuǎn)速控制的目的是保證機組運行在最大風功率追蹤狀態(tài)下；當風速高于額定風速時，受機械強度、發(fā)電機容量和變頻器容量等限制，必須降低風輪捕獲的能量，使功率保持在額定值附近，此時槳距角控制需要起作用，以保證機組保持在額定功率附近。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制目標1：最大功率追蹤策略最大功率點跟蹤原理：在額定風速下，不同的風速下，風機輸出的功率大小會隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，在每一種風速下，都有一個最優(yōu)轉(zhuǎn)速對應(yīng)著一個功率最大點，因此，風機控制的目標是要控制的轉(zhuǎn)速始終運行在最優(yōu)轉(zhuǎn)速點，使風機無論在哪種風速下都能在輸出功率最大點，這也就是最大功率點跟蹤（或者叫最大風能捕獲）。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制為盡可能提高風能利用率，近年來，人們廣泛的研究了各種最大功率跟蹤策略?；究刂圃矸譃槿?，分別是葉尖速比法（Tipspeedratio，TSR）、功率信號反饋法（Powersignalfeedback，PSF）和爬山法（Hill-climbsearching，HCS）。其中，TSR法需要同時檢測風速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速，并通過控制使葉尖速比維持最優(yōu)值，由于風速很難準確測量，且風機的最優(yōu)葉尖速比各有不同，因而給TSR法的實現(xiàn)增加了難度。PSF法基于風機最大功率曲線進行控制，使得機組在不同發(fā)電機轉(zhuǎn)速下的輸出功率跟隨指令值，該控制策略在被動整流和主動整流拓撲中的實現(xiàn)方法均不相同。由于最大功率曲線通常由離線測量得到，實際運行時的參數(shù)變化將影響PSF法對最大功率點跟蹤的準確行。HCS法通過不斷改變功率指令使機組輸出功率逐步逼近最優(yōu)值，對系統(tǒng)參數(shù)的變化不敏感，在被動整流拓撲中應(yīng)用較多，不過對于大慣性系統(tǒng)，HCS法實現(xiàn)最大功率點跟蹤所需時間較長，因此在風速持續(xù)變化的情況下其控制性能將受到影響。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制目標2：恒功率輸出控制在額定風速以上時，風機的轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速，風力機吸收的風能功率將大于風力發(fā)電機的額定發(fā)電功率，為了保護發(fā)電機避免出現(xiàn)故障，因此在額定風速以上時，恒功率輸出算法的目的是調(diào)節(jié)槳矩角，始終保持風機輸出功率維持在額定功率附近。在額定風速以上，風機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速，因此這個階段始終發(fā)電機轉(zhuǎn)速給定始終為額定轉(zhuǎn)速?？刂频闹攸c是變槳裝置的控制。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制3種常見的槳矩角控制：基于風速基于風機轉(zhuǎn)速基于風機功率WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制永磁同步發(fā)電機通過變頻電路控制，實現(xiàn)風機的控制目標：（1）被動整流拓撲電機側(cè)控制策略WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制不控整流加升壓斬波拓撲，主電路圖如圖（a）所示。Ur表示不控整流器后的直流輸入電壓，Udc表示升壓斬波后的輸出電壓，Idc表示輸入電流。隨著風速的變化，永磁同步發(fā)電機輸出電壓的幅值和頻率均不定，而不控整流電路能夠使其轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，使永磁同步電機和不控整流電路一起近似等效于一臺直流發(fā)電機，從而簡化了控制策略?？紤]到并網(wǎng)型風電機組中Udc一般由網(wǎng)側(cè)變流器控制，因此升壓斬波器通過調(diào)節(jié)輸入電流Idc即可調(diào)節(jié)發(fā)電機負載轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)調(diào)速，從而控制并網(wǎng)功率的大小。不難發(fā)現(xiàn)，被動整流拓撲性能的好壞，與其中升壓斬波器的電流控制密切相關(guān)，升壓斬波器電流跟蹤控制策略的選擇關(guān)系到機組的穩(wěn)定和動態(tài)性能，并且電流指令的計算關(guān)系到電機轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)和最大功率跟蹤的實現(xiàn)。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制升壓斬波器控制策略如圖所示，為轉(zhuǎn)速參考值，根據(jù)TSR法和風機參數(shù)算出最優(yōu)的葉尖速比，根據(jù)公式，可以算出在不同風速下為保持最優(yōu)葉尖速比的轉(zhuǎn)速參考值曲線。此時采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)控制轉(zhuǎn)速，內(nèi)環(huán)控制轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速環(huán)輸出作為斬波器輸入電流指令，電流與電流指令作差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得出占空比指令輸入到開關(guān)管。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制(2)主動整流拓撲電機側(cè)控制策略WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制三相PWM整流的拓撲主電路結(jié)構(gòu)如圖（b）所示對于主動整流拓撲，研究內(nèi)容主要集中在控制上。現(xiàn)在，永磁同步電機最普遍采用矢量控制（Vectorcontrol，VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制策略（Directtoquecontrol，DTC），同時，研究人員也關(guān)注于永磁同步電機運行性能的改善方法，提出了以端口功率因數(shù)最優(yōu)（Unitypowerfactor，UPF）、轉(zhuǎn)矩/電流比最優(yōu)（Maximumtorquepercurrent，MTPC）、或效率最優(yōu)（Maximumefficiency，ME）等為目標的改進型控制策略。礙于篇幅關(guān)系，這里介紹最常用的矢量控制策略。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制矢量控制原理矢量變換控制的基本思想是通過坐標變換，把交流電動機的定子電流分解成磁場電流分量和與之垂直坐標的轉(zhuǎn)矩電流分量，從而實現(xiàn)解耦控制，具體來說，就是在調(diào)速過程中，通過維持磁場電流分量不變而控制轉(zhuǎn)矩電流分量，獲得良好的動態(tài)特性。當將發(fā)電機放在同步旋轉(zhuǎn)（d，q）坐標系時，穩(wěn)態(tài)時的正弦變量呈現(xiàn)為直流量，此時電機可獲得類似于直流電機的性能特性。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制這里，PMSG采用=0的轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，電機的轉(zhuǎn)矩方程變?yōu)椋D(zhuǎn)矩和電流呈線性關(guān)系。只要能準確地檢測出轉(zhuǎn)子空間位置(d軸)，通過控制逆變器使三相定子的合成電流位于q軸上。那么，只要控制定子電流的幅值就能很好地控制電磁轉(zhuǎn)矩。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制定子三相電流經(jīng)電流檢測電路被取出后，經(jīng)Clark變換、Park變換到d，q旋轉(zhuǎn)坐標系中，得到，。變換方程如下：WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制這里令=0；為了實現(xiàn)最大功率點跟蹤，令和參考值的差輸入PI調(diào)節(jié)器，其輸出的值為。通過上面PMSG的數(shù)學模型方程可知，d軸和q軸存在耦合項和，通過前饋補償?shù)姆椒上咧g的耦合，如下所示。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制（3）網(wǎng)側(cè)變流器控制策略對于2種拓撲結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)側(cè)變流器均是一樣的，作為直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機與電網(wǎng)相連的重要組成部分，電網(wǎng)側(cè)變換器的主要作用包括：提供穩(wěn)定的直流電容電壓；實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)調(diào)整或并網(wǎng)無功功率控制。電網(wǎng)側(cè)變換器可工作于逆變和整流2種工作狀態(tài)，從而可靈活實現(xiàn)功率的雙向流動。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制目前對于網(wǎng)側(cè)變換器普遍有以下控制策略：a電壓定向控制（矢量控制）VOCb直接功率控制DPCC基于虛擬磁鏈定向控制VFOCd基于虛擬磁鏈－直接功率控制VF-DPC限于邊幅，這里只介紹電壓定向控制。WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制電壓定向控制VOC電壓定向控制一般采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，電流方向以網(wǎng)壓空間矢量的方向為基準。VOC控制系統(tǒng)能否實現(xiàn)高性能穩(wěn)態(tài)運行和快速動態(tài)響應(yīng)，很大程度上依賴于電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計。在靜止坐標系下設(shè)計電流內(nèi)環(huán)，如滯環(huán)電流控制等，易于實現(xiàn)，理論上也可以獲得快速動態(tài)響應(yīng)和較高的控制精度，但實際應(yīng)用時往往受到開關(guān)頻率、器件應(yīng)力等因素的限制，網(wǎng)側(cè)濾波器設(shè)計也相對困難。在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下設(shè)計電流內(nèi)環(huán)，各交流分量均轉(zhuǎn)換為直流量，便于閉環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計，同時可以很方便的與正弦脈寬調(diào)制（SPWM）或空間適量脈寬調(diào)制（SVPWM）接口，利于網(wǎng)側(cè)濾波參數(shù)的設(shè)計，是目前應(yīng)用最廣泛的控制策略。返回WindPowerinPowerSystems北京交通大學電氣學院直驅(qū)式風機的原理及控制直接功率控制DPCDPC控制策略與交流傳動中的直接轉(zhuǎn)矩控制類似，網(wǎng)側(cè)的有功和無功功率分別與電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈相對應(yīng)，根據(jù)有功、無功反饋值與給定值的偏差和網(wǎng)壓空間矢量的位置選擇最優(yōu)的開關(guān)組合，讓功率控制的誤差逼近于零。DPC能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)有功和無功的解耦控制，具有優(yōu)異的動態(tài)響應(yīng)性能。返回WindPowerinPowerSystems