双馈型变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制研究_蒋禹
变速恒频双馈风力发电系统控制技术的探讨
变速恒频双馈风力发电系统控制技术的探讨变速恒频双馈风力发电系统是当前风力发电的核心技术，在这一系统运行过程中对其进行针对控制具有重要意义。
专业的控制是保证变速恒频双馈风力发电系统正常运行的重要前提。
针对该发电系统的控制主要是集中在电网低压故障时的双变流器控制以及网侧变流器的控制。
本文将结合发电系统原理来探讨如何实现科学高效的专业控制。
变速恒频风力发电技术,是当前运行效率较高,电能质量较优的的发电技术。
这项技术在风力发电领域中有着广泛应用。
随着我国能源形势的日益紧张,变速恒频双馈风力发电系统在风能发电中的作用越来越重要。
在这样的背景下加强对变速恒频发电控制技术的研究具有重要意义。
双馈风力发电是专业系统的的发电技术，这一系统的发电涉及到变流器控制、电网低压故障控制以及电机控制等多个领域。
这些方面的控制是保证变速恒频风力发电技术正常运行的重要措施。
当前针对变流器的控制主要是通过矢量控制技术来实现，这一技术相较于其他技术而言比较方便。
非线性矢量控制变速恒频双馈风力发电系统是一个多变量、非线性、强耦合的系统，实现对这一系统的及时有效地控制，有必要采用非线性矢量控制的方法来实现。
针对该系统的控制设计人员先是要推算出系统的状态方程，而后根据状态方程推导出逆系统，最后根据逆系统来实现系统内模控制。
1.1.状态方程。
状态方程是表述系统特性的一种典型手法，工作人员可以通过既定的数学模型来推导双馈风力发电系统的状态方程。
双馈风力发电系统的最大控制目标是能够充分利用风能，也就是指在风速一定条件下，能够发挥发电系统的最大有功功率。
因而我们要把风力发电系统的有功功率作为被控制量。
输出量则应该是无功功率。
此时我们设输入变量是u，输出变量是y，那么我们就可以得到以下状态方程和输出方程.1.2.对双馈风力发电系统专业分析。
一个系统能否能利用非线性矢量控制技术来进行有效应用，一个重要前提就在于该系统能否可逆。
因而在控制之前还需要通过逆系统法来判断双馈风力发电系统是否可逆。
变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制
变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制发布时间：2021-01-27T02:31:36.116Z 来源：《中国电业》（发电）》2020年第24期作者：王斌[导读] 文以变速恒频风力风电机组为例，对其最大风能追踪的总控制与矢量控制过程进行了分析。
甘肃龙源风力发电有限公司兰州 737000摘要：随着科技进步，社会不断发展，同时伴随着环境污染的严重，不可再生能源的减少，政府开始实行并坚持可持续发展战略，有效利用清洁能源，重点发展对可持续能源的利用，例如风能，水能，太阳能等。
伴随着风力发电的盛行，全面提升风力发电机组的运行可靠性和稳定性成为风力发电技术研究的热点问题，最大风能追踪控制成为研究的重点。
文以变速恒频风力风电机组为例，对其最大风能追踪的总控制与矢量控制过程进行了分析。
关键词：变速恒频；风力发电系统；最大风能追踪控制；可再生能源一、变速恒频风电机组1.1变速恒频风电机组风能已成为电力系统增长最快的绿色能源和全球发展最快的可再生能源。
变速恒频风电作为20世纪逐渐发展起来的全新的发电形式，其最大风能追踪控制成为了现在众多学者研究探讨的重要对象。
同时，在现代，变速恒频风电机组已经成为了主流的风力发电机组。
当风速处于额定风速以下时，对于变速恒频风电机组而言，尽可能的提高能量转换效率是主要的目标，这主要通过发电机转矩的控制，使机组变速运行来实现。
变速恒频风电系统的矢量控制图如图一所示。
目前，变速恒频风电机组作为主流的风力发电机组，风电机组有不同于通常机械系统的特性：风电机组的动力源是不可测的自然风能，其发电系统最大风能追踪控制成为了核心问题，同时也是最难解决的问题，是众多学者讨论研究的热点，也是本文要阐述的核心问题。
图1 变速恒频风电系统的矢量控制图1.1.1简介交流励磁变速恒频发电在风力﹑水力等可再生能源的开发利用中发挥作用巨大，得到了极大的重用，尤其在风力发电中得到了广泛的应用。
与恒速恒频发电技术相比，变速恒频风力发电技术具有显著的优越性，首先极大的提高了风能转换效率，显著降低了由风施加到风力机上的机械应力，减少了能源的损耗；其次通过对发电机输出的有功功率得控制来合理调整电磁转矩与转速，使电机转速改变，从而在风速变动的情况下确保最佳叶尖速比的恒定，实现了变速下的恒频运行，通过矢量变换控制还能实现输出有功和无功功率的解耦控制，提高电力系统调节的灵活性和动﹑静态稳定性。
变速恒频双馈风力发电机的最大风能追踪控制
双馈感应电机最大功率跟踪鲁棒滑模控制设计
ZHANG Weiqi1, LI Fusheng2, YU Tao2 (1. Power Dispatch Control Center of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou 510600, China;
2. College of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract: Variable-speed constant-frequency wind power generation technology has been widely used in actual wind turbines. A typical issue is the Maximum Power Point Tracking (MPPT). This paper designs a Perturbation Observer Based Sliding Mode Control (POSMC) scheme for MPPT of Doubly-Fed Induction Generator (DFIG). It combines the perturbation observer and Sliding-Mode Control (SMC) to significantly enhance the robustness. Firstly, the perturbation observer estimates the perturbation (generator nonlinearities, parameter uncertainties, and random wind speed) online. Then, the perturbation estimation is compensated in the real-time by SMC, such that a global control consistency and improved robustness can be achieved under different operation conditions. Finally, POSMC does not require an accurate DFIG model while only the rotor angular velocity and stator reactive power needs to be measured, thus it is easy to implement. Three case studies are undertaken, namely, step wind speed, random wind speed and uncertain generator parameters. Simulation results show that, compared with Vector Control (VC), Feedback Linearization Control (FLC) and SMC, POSMC can capture the maximum wind power under various operation conditions and can provide the strongest robustness.
变速恒频双馈风力发电系统控制技术的探讨
变速恒频双馈风力发电系统控制技术的探讨前言随着能源危机的日益加剧，可再生能源逐渐成为人们关注的热点。
风能作为最具潜力的可再生能源之一，引起了众多研究人员的关注。
近年来，变速恒频双馈风力发电系统控制技术成为研究热点之一，具有广阔的应用前景。
本文将对变速恒频双馈风力发电系统控制技术进行探讨。
双馈发电机和变频控制双馈发电机是目前风力发电机中最常使用的一类发电机。
传统的风力发电系统采用异步发电机作为发电机，随着风速的改变，输出电压、频率和电流也会跟随变化。
而采用双馈发电机后，输出电压和频率能够稳定控制在一个合适的范围内。
变频控制技术是指通过调整发电机输出电压和频率，使其与电网的电压和频率同步，从而实现电能的输送。
传统的电力系统一般采用恒频输电，这种方式下，不同的发电机必须调整其转速，以达到跟电网同步的效果，导致效率低下。
而采用变频控制技术，可以根据需要调整发电机的转速，使其在不同的风速下都能保持较高的效率。
变速控制技术变速控制技术是指通过改变风力发电机的转速，使其在不同的风速下都能保持较高的效率。
传统的风力发电系统中，往往采用固定转速的方式，无法灵活地调整转速以适应不同的风速。
而采用变速控制技术，则可以在不同的风速下，调整发电机的转速，以保证其输出的电量和质量。
曲线控制曲线控制技术是指通过调整双馈发电机的转速和输出电压，使其输出的电量和质量符合电网的要求。
传统的控制方法是基于刚性控制，不能灵活地调整发电机的参数。
而曲线控制技术，则可以根据电网的要求，调整发电机的控制参数，以保证其稳定地、高效率地运行。
软件控制技术软件控制技术是指通过计算机程序控制风力发电系统的运行。
传统的控制方式大多采用硬件控制，控制方式复杂、扩展性不强。
而采用软件控制技术，则能够通过计算机程序实现控制功能，提高系统的自动化程度。
结语变速恒频双馈风力发电系统控制技术是风力发电的研究热点之一，具有广阔的应用前景。
本文通过介绍双馈发电机和变频控制、变速控制、曲线控制、软件控制技术等方面，对其进行了探讨。
变速恒频双馈风力发电系统最大风能捕获控制
提出了基于定子磁场定向的有功 、 无功功率解耦控制策略 。通过风速变 对双馈发电机动态数学模型的研究， 化下的系统仿真验证了理论的正确性和可行性 。 关键词： 双馈发电机； 最大风能捕获； 定子磁场定向 中图分类号： TM315 文献标识码：A 6540 （ 2010 ） 03001804 文章编号：1673-
控制与应用技术EMCA
2010 ， 37 （ 3 ）
变速恒频双馈风力发电系统最大风能捕获控制
志， 王清灵， 朱一凡 （ 安徽理工大学 电气与信息工程学院 ， 安徽 淮南 232001 ） 张
{u′ = （ R + bD） i u = － bω i {Δ Δu = a ω Ψ + b ω i
rt r rt rm s rt s s
= u′ rt + Δ u rt u′ rm = （ R r + b D ） i rm
s rm
u′ — —实现转子电压、 式中：u′ 电流解耦控制的 rm 、 rt —
图2 定子磁场定向原理图
3
DFIG 励磁控制策略
因为并网后定子电压矢量 u s 等于电网电压
解耦项； — —消除转子电压、 Δ u rm 、 Δ u rt — 电流交叉耦合 的补偿项。 根据前面的理论分析， 设计出 DFIG 定子磁 链定向控制的矢量控制系统框图。 如图 3 所示， 控制系统为双闭环控制， 外环为功率控制环， 内环 为电流控制环。 首先由检测到的定子电压、 电流 Qs ， 计算出实际的定子有功、 无功功率 P s 、 同时系
{
P s = u sm i sm + u st i st Q s = u st i sm － u sm i st
变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制
变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制摘要：风力发电是一种可再生能源，因此，对它的开发和利用显得尤为重要。
由于其实用、高效的特点，变速恒频风电技术在许多方面都具有很大的应用前景，并且伴随着风电技术的持续发展，它已经成为了国内外众多专家学者关注的焦点。
安全、低成本、高效的风电技术是风电技术发展的重点，而对其短时有效风速进行精确预测是实现风电系统平稳运行的关键与基础。
风电机组在运转过程中，其风场呈现出一种三维时变特性，由于各测点在风轮表面上得到的风速各不相同，因此，利用风速仪对其进行短时的风速预报并不可行。
为改善风电机组的调速性能，需对风电机组的短时风速预报进行深入的分析与研究。
关键词：变速恒频；风力发电系统；最大风能追踪控制1变速恒频风力发电概述本文介绍了一种新型的变频调速发电机的结构，并对其性能进行了分析。
双馈发电机的定子线圈与电网相连，转子线圈为三相交流变频驱动，一般采用交流-交流变换或交流-直-交变换来驱动。
双馈发电机可以在各种工况下工作，并且可以根据风速的改变来调节其旋转速度，从而保证风机始终处于最优的工作状态，提高了风力资源的利用效率。
当电机负荷或速度改变时，调整馈入转子绕组电流，就可以使定子的输出电压和频率不变，也可以调整发电机的功率因子。
2变速恒频风力发电技术重要性及其优势2.1变速恒频风力发电技术的重要性风力发电机是一种以风力为动力的风力发电机。
在整个风力发电过程中，发电系统占有相当的比重。
通常情况下，当风力发电系统的单位装机容量不断增加时，就可以从一个侧面说明风力发电机的结构存在一定的问题。
为此，需要对风力发电系统进行结构优化设计。
本项目研究成果将为风电机组的安全稳定运行提供理论依据，并为实现风电机组的高效稳定运行提供理论依据。
2.2变速恒频风力发电技术优势风力发电技术在风力发电中的应用具有明显的优势。
在风力发电的过程中，使用变速恒频的风力发电技术，能够从最大功率的角度来确保发电系统的平稳运转，不仅能够在某种程度上增加风电系统的发电量，还能够提升风电系统的运行效率。
变速恒频双馈风力发电最大功率跟踪控制
变速恒频双馈风力发电最大功率跟踪控制
念丽波;刘雪杨;邓永生;孟召阳
【期刊名称】《机械与电子》
【年(卷),期】2015(000)012
【摘要】为了充分有效地利用风能，发出较高的电能质量，在分析了风力机最大风能捕获机理和双馈电机数学模型基础上，提出了一种基于定子电压定向下变速恒频双馈发电机最大功率跟踪矢量控制策略。
为了说明控制策略的有效性，在风速阶跃变化下，利用 Simulink 建立了双馈发电系统仿真模型及定子电压定向矢量控制模型。
仿真结果表明，该控制策略能够快速准确控制风力发电系统进行最大功率跟踪及变速恒频控制。
【总页数】4页(P53-56)
【作者】念丽波;刘雪杨;邓永生;孟召阳
【作者单位】昆明理工大学机电工程学院，云南昆明 650500;昆明理工大学机电工程学院，云南昆明 650500;昆明理工大学机电工程学院，云南昆明 650500;昆明理工大学机电工程学院，云南昆明 650500
【正文语种】中文
【中图分类】TM461
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1.变速恒频风力发电机最大功率跟踪控制策略的研究 [J], 王志华;李亚西;赵栋利;郭金东;许洪华
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⎧⎪⎪ird ⎨ ⎪⎪⎩ irq
= =
Ls Lm Ls Lm
isd isq
+ +
1 Lm
Ψsd
1 Lm
Ψsq
(9)
式中： Ls 为定子自感； Lm 为定转子之间的互感；
Ψsd 、Ψsq 为磁链在同步旋转坐标系下的 d、q 分量。
电网电压定向的矢量控制系统中，双馈电机定
子绕组直接与电网相连，设所连电网为强电网，则
1）读入机组转速，由式(5)计算有功功率参考 值，无功功率参考值设为 0。
2）读入电网电压、发电机定子电流等值，经 a-b-c 到 d-q 的坐标变换后由式(8)计算功率反馈值，
Ps + _
Qs
+
_
isd
PI
Ls/Lm
ird +
PI
isq
Ls/Lm
irq + _
_
ur′d
urd
PI + _
坐 标
PI Δurd + ur′q _
3 仿真分析
采用 Matlab/Simulink 软件对基于矢量变换控 制的双馈型变速恒频风力发电机的最大功率捕捉 策略进行仿真。发电机参数：极对数为 3，额定功
率 10 kW，额定电压 220 V/50 Hz，定子电阻 0.08 Ω， 定子漏感 1.1 mH，转子电阻 0.1 Ω，转子漏感 2.2 mH， 互感 42.5 mH，转动惯量 0.4 kg·m2。风力机参数： 风轮直径 8.5 m，起动风速 4 m/s，最佳叶尖速比为 9，最佳风能系数为 0.43。图 4 为发电机有功功率 P1、无功功率 Q1 以及风轮角速度ω随风速 v 变化的 曲线。可以看出，随着 v 的变化，P1 和ω 相应地发 生变换，而 Q1 基本不变，Q1 不随 P1 的变化而变化， 实现了有功、无功功率的解耦。图 5 为风速变化时 风力机实际输出功率 Po、理想最大功率 Pomax 和叶 尖速比λ的对照曲线。可以看出，在风速不断变化 的情况下，风力机的输出功率一直跟踪最大功率， 叶尖速比接近最佳叶尖速比 9，有效地实现了最大 风能跟踪控制。
1 风力机运行特性
风力机通过桨叶捕获风能，并将风能转化为机
械能。根据贝兹原理，风力机捕获的机械功率[5-6]为
⎧0,
v < vin
P
=
⎪ ⎪⎨Cp
(λ
,
β
)
1 2
ρ
Av
3
,
vin ≤ v < vR
(1)
⎪ ⎪
PR
,
⎩ 0,
vR ≤ v < vout v ≥ vout
式中：Cp(λ，β)为风力机风能利用系数，λ为叶尖速 比，β为桨叶节距角；v 代表风速；vin、vR、vout 分 别为风力机启动风速、额定风速和切入风速；A 为
蒋禹，高雪松
（华能阜新风力发电有限责任公司，辽宁省 阜新市 123003）
Study on Maximum Wind Energy Tracing of Doubly-Fed VSCF Wind-Power Generation System
JIANG Yu，GAO Xue-song
（Fuxin Wind-Power Generation Co., Ltd.，China Huaneng Group，Fuxin 123003，Liaoning Province，China）
(3) 式中 1 = 1 − 0.035 。
λi λ + 0.08β β 3 + 1 而叶尖速比λ 可表示为
λ =ωR/v
(4)
式中：ω为风力机风轮角速度；R 为叶片半径。
不同风速下风力机的输出功率特性(β =0°)如
图 1 所示[8]，其中 Pmax 线是各风速下风力机最大输 出功率的连接线，即最佳功率曲线，且 v1>v2>v3。 可以看出为实现最大风能追踪，必须在 v 变化时实
2.2 功率控制的最大风能追踪过程 参照前图 1 对采用功率控制的最大风能追踪过
程进行分析。坐标平面可以按 Pmax 曲线划分为 3 个 区域，分别是：1）左侧区域，相同转速下风机输 出功率大于功率参考；2）右侧区域，相同转速下， 风机输出功率小于功率参考；3）与 Pmax 线重合的 区域，重合区域风力机已工作在最大功率点上，无 需进行控制。
通过分析可以看出，进行双馈电机的有功无功 功率解耦，通过控制双馈电机的有功功率来进行最 大风能追踪是可行的。 2.3 最大风能追踪控制算法
进行变速恒频双馈风力发电最大风能追踪控 制的核心在于双馈电机的功率解耦控制，本节将论 述基于电网电压定向矢量控制的双馈电机有功、无 功功率解耦控制算法。选择电网电压为定向矢量的 原因是电网电压可直接测量，不受电机参数的影 响，定向准确[9]。
双馈型变速恒频风力发电技术的优势正逐渐 突显出来，该技术控制灵活，运行效率高，特别是 在最大风能追踪方面可在较宽范围内变速运行。双 馈型变速恒频风力发电系统的最大风能追踪是指 系统工作在启动风速和额定风速之间时，控制发电 机在运行时的 Pout 值保持最大[1]。
以往的最大风能捕获方法主要有叶尖速比(tip speed ratio，TSR)控制法[2]和爬山法(hill climb
时地调整电机转速ω，使风力机的输出功率最大。
P
Pmax
E
AC
B v3 D v2
v1
ω1 ω2 ω3
ωm
图 1 风力机的输出功率特性曲线
2 风力机最大风能追踪的实现
2.1 概述
在已知风速和风力机特性曲线的情况下，我们
可以计算出最优转速，对机组进行直接转速控制，
使机组运行在这个最优转速下，从而实现最大风能
对于采用电网电压定向的矢量控制系统，通过 调节转子绕组的三相电流、电压可实现对定子侧有 功功率和无功功率的解耦[10]。坐标系选择[11]见图 2。
由坐标变换可推导出同步旋转坐标系下双馈
β q
b
x d
a
c
图 2 坐标变换系统
262
蒋禹等：双馈型变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制研究
Vol. 32 Supplement 2
追踪。这种方法控制目标明确，原理简单，易于在
实验室条件下实现，但由于风速变化情况复杂，风
速检测的误差会降低最大风能追踪的效果。
双馈电机的一个很大的优点在于其可以进行
有功和无功功率的解耦控制，这样就可，其实质是通
过控制双馈电机输出有功功率来控制电机电磁阻
转矩，从而间接控制机组的转速，使风力机运行在
风力机桨叶扫掠面积；ρ 为空气密度。
本文主要研究的是风速小于额定风速的情况，即
P
=
1 2
Cp
Aρ v 3
(2)
由式(2)可以看出，在风速 v 给定的情况下，风
第 32 卷 增刊 2
电网技术
261
力机捕获的功率取决于功率系数 Cp，而 Cp 又是叶 尖速比和桨叶节距角的函数[7]，即
Cp (λ, β ) = 0.5176(116 / λi − 0.4 β − 5)−21/ λi + 0.0068 λ
( Rr ( Rr
+ +
a 2 D )ird a 2 D )irq
(13)
⎧⎪Δurd = a2ω2irq − a1ω2Ψs ⎨⎪⎩Δurq = −a2ω2ird
(14)
式中 a1 = Lm / Ls ， a2 = Lr − L2m / Ls 。 图 3 给出了双馈电机电网电压定向矢量控制功
率解耦算法逻辑图。其具体控制过程描述如下：
关键词：风力机；变速恒频；最大功率捕获；双馈电机；矢 量控制
0 引言
能源是现代社会和经济发展的基础。经济的发 展与人口的增长使得能源需求日益增加，同时以煤 炭、石油和天然气为主的常规能源对自然环境产生了 严重的污染和破坏，人类正面临着能源利用和环境保 护的双重压力。因此，风能、太阳能等可再生能源具 有广泛的应用前景。风力发电是新能源中技术最成熟 的发电方式之一，因此受到了世界各国的重视，风力 发电也获得了更多的优惠政策和资金支持。
其定子电压的幅值和频率都是恒定的，忽略定子电
阻上的压降，稳态时定子磁链落后定子电压 90°，
落在 q 轴的负半轴上，则有
⎧⎨⎩ΨΨssdq
= =
0 −Ψs
=
−us
/ ω1
(10)
将式(10)带入式(9)化简得
⎧⎪⎪ird ⎨ ⎪⎪⎩ irq
= =
Ls Lm Ls Lm
isd isq
−
1 Lm
Ψs
(11)
摘要：阐述了风力机的运行特性，分析了变速恒频风力发电 系统风速与风力机功率的数学关系，提出一种变速恒频风力 发电机最大功率捕获方法，分析了通过功率控制进行最大风 能追踪的具体过程，研究了双馈电机有功、无功功率的解耦 控制方法，建立了基于电网电压定向矢量控制的双馈型变速 恒频风力发电系统最大功率捕获系统模型，并利用 Matlab/Simulink 对其进行仿真，结果验证了该控制策略的正 确性和有效性。
基金项目：辽宁省高校优秀人才基金资助项目(2005219005)。
searching，HCS)[3-4]。TSR 控制法需要实时精确地 测量风速，这在实际现场较为困难。HCS 控制法是 通过实时测量风力机转速和输出功率，利用经典数 学寻优方法跟踪最大输出功率点。该方法避免了测 量风速的问题，但需要实时测量风力机输出功率和 风力机转速，并且测量时间往往影响控制精度。本 文提出一种既不依赖于风速测量，又具有较高控制 精度的最大风能捕捉策略。该策略利用风力机特性 和双馈电机功率特性实现定子有功功率的控制，从 而实现发动机转速的调节。本文将应用矢量控制实 现双馈电机有功和无功功率的解耦，建立基于电网 电压定向矢量控制的最大风能捕获系统模型。