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风力发电技术与功率控制策略研究
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摘 要:随着能源危机的加剧,再生能源成为我们关注的重点,双馈感应发电机风力发电技术具有安全性高、变换器的容量小和可靠性高等优点,已成为当今的主流发电技术。本文对风力发电技术进行综述,研究了双馈感应的发电机的风力发电系统的网侧变换器直接功率控制策略。本文研究的功率控制策略对双馈风力发电系统具有一定的工程应用价值和市场前景。
关键词:风力发电;功率控制;双馈感应发电机
1.引言
能源问题是社会发展的一个重大挑战,是人类生存的重要前提。随着能源危机的恶化,世界各国都相应制定了自己节能减排的标准,开发可再生资源亦是一种不可逆转的发展趋势。在可再生能源中大部分都转化为电能,所以可再生能源的发电技术就成为能源开发的关键技术,其中风力发电最具代表性。
风力发电技术的主要原理是利用风力机来推动发电机,然后转换为电能的一种新的发电技术[1]。目前风力发电技术已经趋于成熟,得到大规模的应用,它的主要优点是:占地面积小和丰富的储量。但目前风力发电的成本虽然低于太阳能发电,但远远的高于传统的火力发电的方式,所以如何控制风力发电的成本是风力发电技术有待解决的重点问题之一,风力发电的另一核心技术是如何对功率进行控制,这也是本文研究的重点问题。
2.风力发电技术
2.1 风力发电技术的发展趋势
小容量向大容量的发展趋势;目前房里发电机的主流机型都在1MW以上,并且英国正在研制10MW以上的风力发电机。随着技术的发展,会出现30、40MW的风力发电机,并转向发电站的建设。
陆上向海上风力发电的发展;海上的风力资源比陆地上丰富的多,随意我们把风力发电站建在海上不仅解决了占用土地资源的问题,还利用了海上丰富的风力资源,可以进行大规模鼻梁的生产,降低了风力发电系统的整个成本。
2.2 风力发电机的功率调节
风力发电机通过风力机来捕获风能,然后把风能转化为电能的一种装置。风力发电机实现风能采集和转变的关键技术是功率的调节。现使用的主要有两种控制方式:定浆距控制和变浆距控制[2]。
定浆距风力发电机的控制状态当风俗发生变化时,桨叶的迎风角速度不变,它的主要优点是结构简单可靠性高。缺点是机组风能的转化效率比较低,不能适应多种风速条件。
变浆距的方式主要是通过改变桨叶的迎风面和纵向的旋转轴之间的夹角来改变桨叶的受力大小最终对风力发电机的输出功率进行控制。采用这种变浆距的方式输出的功率曲线相对平滑,风速在风力机的风速额定值之下时,桨叶的攻角在零度左右,风力机会最大的输出功率。反之,风速在额定值之上时,在变浆距结构的作用下,调节攻角的大小,使得输出的功率在额定功率左右。这种变浆距功率控制方式的成本低,并且当风速达到一定的数值时,定浆距失速风力机就被迫停止运行,通过调节攻角的大小来时风力机的输出功率在合适的数值内。
2.3 变速恒频风力发电系统
风力发电系统主要有三种类型:全功率变换器无齿轮箱的增速变速恒频风力发电系统;全功率变换器单级齿轮箱变速恒频风力发电系统和多级齿轮箱增速的双馈感应的异步风力发电系统。本文主要对第三种类型双馈感应的异步风力发电系统进行介绍。
多级齿轮箱增速的双馈感应异步风力发电系统(DFIG)是目前风力发电技术中使用最为广泛的一种系统结构。其中在发电机和风力机之间采用了多级的增速齿轮箱,使得发电机的转速得到提高,发电机的体积较小较轻。它最大的优点是励磁变换器的容量得到了降低,节省了大概0.1-0.3倍的发电机容量。另外这种结构稳定不会存在退磁的现象。
3.变速恒频双馈异步发电系统的网侧变换器直接功率控制策略
近年,关于DFIG风力发电系统变频器的频率控制策略已经有了很大的进步,目前双馈异步风力发电系统的主要控制策略包括:直接功率控制和矢量控制。矢量控制是大部分双馈异步风力发电系统中采用的控制策略。但是对于直接功率控制策略只有少数的公司使用。本节主要介绍网侧变换器直接功率控制策略。
3.1 数学模型
DFIG风力发电系统主要采用的是双直流电机变频器做励磁系统,网侧变换器指的是和电网相连的部分,和DFIG的转子相连的部分称作转子侧变换器,两种变换器之间用直流环节分开,控制相对独立所以可以分别的进行分析研究。这种网侧变换器可以实现双向的流动具有良好的输入输出性能并且技术成熟,所以成为当前DFIG风力发电系统主流的频率控制策略。
网侧变换器也分为两种控制方式:矢量控制和直接功率控制。其中矢量控制对电流精度的要求比较高却跟踪性好,缺点是矢量控制需要同步速的坐标变换,所以它的控制结构相对比较复杂。直接功率控制的控制结构简单,动态性能比较好,所以受到了广泛的关注。但传统的基于查询表的直接功率控制的开关频率不稳定所以会产生不固定的电流的谐波,这种谐波的产生导致了电流滤波器的设计工作,并且有功和武功的脉动会比较大。所以本文提出了一种假如电压空间矢量的调制技术,这种技术中主要利用同步速坐标来实现固定的开关频率并且有效地抑制了功率脉冲的产生。
网侧变换器采用的是三相两电平的PWM变换器构成,这种变换器的主要特点是可以实现双向的流动。工作原理是:当DFIG在亚同步的速度下工作时,网侧变换器就会处于整流的状态,能量会从三相的交流的电网中直接汇入直流环节。当发电机系统的工作速度超过同步的时速时,网侧变换器会处于你变的工作状态,能量会从直流环节汇入到三相交流网络中。DFIG风力发电的网侧变换器拓扑结构如图3.1所示。其中直流侧通过电子容器和转子侧变换器链接在一起。
图3.1 网侧变换器拓扑结构图
3.2 网侧变换器直接功率控制
基于查询开关表的频率控制
这种基于查询开关表的方式是基于离线计算开关表和置换调节器组成的。主要的实现方式是通过计算功率之间的误差和扇区信号来对不同的交流电压的矢量进行选择,进而来获得开关表的信号。
预测直接功率控制
预测直接功率控制指的是在一个控制的周期内,可以选择多个电压空间矢量,再根据无功功率、有功的误差来确定选择合适的矢量,合理的安排时间,最后获得变换器运行的开关信号。
基于滑模变结构的直接功率控制
基于滑模变结构的直接功率控制主要原理是:吧滑模控制器和直接功率控制策略相结合,实现了固定的开关的频率,这种方式的优点是降低了无功和有功功率的乱扰现象[3]。
滑模变结构的特性是:会使系统沿着特定的状态轨迹做高频率小幅度的上下的运动。滑模变结构控制器的设计主要根据的是滑模的存在性条件和系统在正常情况下工作的动态品质的要求来设计的。系统主要通过切换函数S的符号进行判断,进而不断切换控制的变量来改系统的整体结构状态,追中是系统在实现设计好的状态下正常的运行。
4.结束
丰富的风能,使风力发电技术日趋成熟,发电成本逐渐下降。风力发电的级别从单级变为多级,领域从陆地向海洋不断拓展。变速恒频双馈风力发电系统采用网侧变换器直接功率控制策略对发电机的功率进行控制,实现了风能的最大捕获,提高了风力发电系统风能的利用效率,保证系统稳定可靠地运行。本文对风力发电技术和频率控制的研究具有一定的意义和价值。
参考文献:
[1]王志新,李响,艾芊.海上风电柔性直流输电及变流器技术研究[J].电力学报,2007,22(4):413-417.
[2]郭晓明.电网异常条件下双馈异步风力发电机的直接功率控制[D].浙江杭州,浙江大学,2008:52-62.
[3]李晶,王伟胜,宋家弊.变速恒频风力发电机组的建模与仿真 [J].电网技术,2003,27( 9):14- 17.
