变速风力发电系统控制技术综述

### 变速风力发电系统控制技术综述 变速风力发电系统作为一种高效利用风能的技术手段，在全球能源转型的大背景下扮演着越来越重要的角色。本文旨在深入探讨变速风力发电系统的控制技术，包括直驱式风力发电系统及双馈感应电机风力发电系统的控制策略，并对比分析不同控制方法的特点及其在实现最大风能追踪中的应用。 #### 1. 变速风力发电机运行区域 变速风力发电机组通常分为三个运行区域：启动区（A区）、最大风能捕获区（B区）和额定功率区（C区）。这三个区域根据风速的不同而有所区分： - **A区**：风速较低，主要完成风力发电机的启动过程。在此阶段，通常通过调整发电机的转矩来控制发电机的启动。 - **B区**：中低风速区间，主要实现风力发电机的最大风能捕获。按照贝兹理论，理论上风能利用系数的最大值为0.593，但实际中由于能量转换损失，该值会有所降低。本区域内的控制策略主要是为了尽可能接近这一理论极限值。 - **C区**：当风速达到或超过额定风速时，风力发电机组进入额定功率状态，此时的主要目标是保持输出功率稳定在额定值附近。 #### 2. 直驱式风力发电机控制技术 直驱式风力发电系统是一种直接将风轮连接至低速同步发电机的系统，无需齿轮箱，从而降低了机械故障的可能性，提高了效率。 ##### 2.1 基本结构和原理 典型的直驱式风力发电系统包含直流母线、变流器等组成部分。在特定的运行周期内，通过控制开关器件（如VT），实现电感电压的调节，进而控制输出电压的大小。通过调节占空比d（定义为导通时间与整个周期之比），可以实现输出电压的升降控制。 ##### 2.2 最大功率控制策略 在B区内，实现最大风能捕获的关键在于采用有效的控制策略。常见的两种控制策略包括功率搜索算法和最大功率控制的小信号扰动法。 - **功率搜索算法**：通过不断调整发电机的运行参数（如占空比），寻找能够使输出功率达到最大值的最优点。这种方法在某些情况下可能会导致功率波动较大。 - **最大功率控制的小信号扰动法**：通过对输出功率施加微小扰动，观察功率变化趋势，从而逐步调整控制参数以达到最大功率点。这种方法简单易实现，能够有效避免功率波动，使系统平均功率达到最大值。 #### 3. 双馈感应电机风力发电系统的控制策略 双馈感应电机风力发电系统通过控制电机的转子电流，实现对发电机输出的调节。 ##### 3.1 控制策略比较 双馈感应电机风力发电系统的两种常见控制策略为基于气隙磁场定向的矢量控制策略和基于定子磁场定向的矢量控制策略。 - **基于气隙磁场定向的矢量控制策略**：该策略通过控制电机的转子电流来实现有功功率和无功功率的解耦控制，无需测量风速，但控制系统相对复杂。 - **基于定子磁场定向的矢量控制策略**：同样实现了有功功率和无功功率的解耦控制，同时也无需测量风速，但其控制模型更为简化，便于实施。 #### 4. 智能控制的应用 除了传统的控制策略外，智能控制技术也被广泛应用于变速风力发电系统中，以实现更精确、高效的风能捕获。这些智能控制方法包括模糊逻辑控制、神经网络控制等，它们能够在复杂的运行环境中自动调整控制参数，优化系统的整体性能。 #### 结语 变速风力发电系统的控制技术是实现风能高效利用的关键。通过对直驱式风力发电系统和双馈感应电机风力发电系统的控制策略进行详细比较和分析，我们可以看到不同的控制方法各有优缺点。未来的发展趋势将是结合多种控制技术，以满足不断增长的清洁能源需求，推动风能行业的持续进步。