无速度传感器直驱风力发电运行控制研究

张晓良

（湘电风能有限公司，湖南 湘潭 411102）

无速度传感器直驱风力发电运行控制研究

张晓良

（湘电风能有限公司，湖南 湘潭 411102）

无速度传感器的风力发电技术起步较晚，技术操作难度大，运行难度较大，特别是用速度的在线观察方面难度更大。所以本次研究中研究了控制技术的基本实现意义，并就控制技术实施做了简要阐述。

无速度传感器；风力发电；控制技术

能源产业不断发展的过程中，风力发电不仅是近些年的研究重点，也必然会是未来十余年内的重点研究对象。特别是一些海上或者高寒风大的地区，有丰富的电力资源，必然能够让风场的运营可行性得到保障，实用性与利用优势必然会展现。

1　无速度传感器控制技术的现实操作意义。

众所周知，在传统的双馈电机矢量控制体系当中，最核心的部位在于以转速环当成外环控制的一个控制环节，这必然要求在实际应用过程中使用高精度光电编码器等转速和位置处检测双馈电机的转速。在完成电路调理动作后，将其传递到中央处理器之中，而在后续的运行过程中传递给信号以完成转速环的建设。但是双馈电机在传感器的安装过程中，总是会出现一些问题，像是：（1）实际成本的增加：在设备应用过程中额外加入了传感器，必然会让设备成本也相应的增加，这对初期投入来说是十分不利的，何况光电编码盘不具有较高的实际精准性，加之精准性高的编码盘价格又高，这样组成的便是一个恶性循环过程；（2）由于错误安装而对测量精度造成的影响，在电机上安装的编码盘并不能够切实的确保和双馈电机之间保持精确的同心度，并且在使用时间的过程中，拉长程度更高，更容易出现光电编码盘的松动问题，而一旦速度环出现了恶性症状，必然影响整个设备和项目的运行，造成的损失都是难以估量的；（3）维护难题：电机中心轴有较大的体积，容易为电机维护带来巨大的难题，这和异步电机自身的简单性特征是不相适应的。

2　直驱风力发电系统的基本原理。

传统直驱风力发电的变流结构为“不控整流联合升压斩波联合PWM逆变”的交直交变流器，其在应用过程中的不足之处在于二极管的整流输出电压是不在控制范围内的，晶闸管整流虽然可以对其的输出电压进行控制，可是功率不高，并且会朝着电网输入进数量较大的谐波电流运行。所以可以再使用过程中利用PWM整流电路。图1是永磁同步电机的发电系统拓扑系统组成图，其组成包括风力机、永磁同步电机、制动器和双脉冲宽度调制变频器与滤波器等。具体的工作原理为，在风速不断变化的过程中，发电机所发出的交流电压与频率是在不断改变着的，此项变压变频中的交流直驱永磁同步风力发电系统的电流经过变流器输出电压之后和电网电压的相位频率保持一致，是一种可调节的功率因数交流电系统。风能运行的捕捉过程中，借助风力机与发电机之间的功能配合，能够让发电机组在不等量的风速作用下保持较高的风能利用系数，使其能够在一个良好的转速维持作用下连续运行。而在运行过程中要想保持最大化的风能操作功能，可以对发电机的有功功率进行调节，以改变当中电磁的运转间距，进而对机组转速加以调节。所以发电功率的独立调节属于风电机组变速运行过程中的核心，其受制于发电机转子的磁链定向矢量操作要求。

3　基于定子磁链观察的无速度传感器控制技术

3.1定子磁链观察技术。无速度传感器控制技术表示的是利用对电机中和转子位子、速度关联性信号，像是定子端电压、相电流等等，之后以观察状态或者电机数学模型的方式推测计算出电机转子的具体位置和运行速度，从而代替传感器的位置。现如今的风力发电工况状态下的风机切入速度是中高速速度，一般是在反电动势与磁链位置速度的估算中技术中被广泛使用，简单的说此项技术就是构建一个定子磁链观察器，以获取转子的位置角数据。

3.2基于饱和反馈改良型定子磁链观察方式仿真。对比饱和反馈积分器和一阶惯性滤波器估算的链形波形，以下构建了一个仿真模型，波形输出图如图2所示。在这之中，饱和反馈积分器饱和限幅值设定成理想的磁链幅值，ωe=20/20=1、截止频率ws的值分别选择10rad/s、20rad/s。对比以上两幅图可知，带饱和反馈过程中的积分器和一阶低通滤波器对比，L好比是理想磁链幅值，并且在频率的截止Wc数额越高，带饱和反馈过程中的积分器积分所获得的磁链幅值与相角误差就越小，可是相反的Wc越低的时候，带饱和反馈过程中的积分器直流偏差就很弱小。

图1　直驱永磁同步发电系统

图2　输出磁链波形（wc=10rad/s）

图3　输出磁链波形（wc=20rad/s）

3.3网侧变换器的控制。执行电网的侧逆变器过程中，把两相旋转坐标系当中的d轴和电网电压矢量放在同一坐标轴上，设θ是电压矢量位置角。那么逆变器在网侧电压矢量定向坐标系之下的数学模型可以表示成：

在上式中，L与R分别代表的是逆变器和网侧之间的电感与电阻指标，而ud和uq表示的分别是逆变器的调制性电压控制量，这两项因素还同步受到交叉耦合项以及电压电网之间的影响，因此需要有一种技术将d、q之间的电流耦合控制技术关系解除。电压控制环对直流电压进行稳定控制，能够让逆变器稳定的朝着电网传递有功功率，同时能够让无功电流环进行逆变器输出无功功率的控制，以满足电网对无功功率的执行要求。

结语

本次研究简单的分析了基于无速度传感器的直驱风力发电机组的控制策略，并且以样本数据的方式验证了此项操作体系的稳定性，和一般的风力发电要求基本能够保持一致。

［1］刘彬.无速度传感器的直驱永磁风力发电变流器控制研究［D］.哈尔滨工业大学，2012.

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