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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）-00-01 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。
1 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。
2 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]。
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（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。
3 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]。 4 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
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[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.