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摘要：面对日益恶化的环境，全国各地的雾霾日益严重，作为清洁能源的风能在能源比重中所占的比重越来越大，成为电力系统不可缺少的一部分。中国在风力发电机的开发上取得了巨大的成就。但目前我国的中小型风力发电机生产效率低，故障率高，这是因为机组结构简单，单一控制方式，使其在微电网和分布式发电中不能很好地使用。因此，通过先进可靠的控制技术，应用于中小型智能风发电机组，提高了风力发电机组的效率和稳定性，具有重要的现实意义。
关键词：中小型智能风力发电机；控制策略
1 中小型风力发电机组的现存问题
中小型风力发电机组在分布式发电领域中广泛应用，但同时存在许多问题，导致中小型风轮机的安装能力虽然较高，但其利用率比较低。由于中小型风力发电机组安装高度的限制，以及离用户住所不太远的影响，机组将受到地面和障碍物的粗糙度的影响。风速越高，风速就越稳定，风速也就越不稳定。在风的紊流地区，风速和风向的变化通常是频繁且不规则的，风力发电机头的工作时间在这种风况下，这使得机组容易出现故障。
然而，市场中大多数中小型风力发电机组结构简单，无变桨系统和偏航系统，大多采用单控制方法。同时，中小型风电机组的逆变控制器质量较差，不能提供超压、过载、短路和过热的保护性能。在这样的安装条件下，风扇容易损坏，大大降低了风机的使用寿命，造成了很大的损失。
2风力发电机组技术研究现状
风力发电机组可分为两种模式：恒速和变速。恒速风力发电机最大功率跟踪，它只能在某一风速下工作于最大风能捕获点，现在这样的中小型风力发电机由于安装面积和风力资源的限制，导致其效率不高和可靠性无法保证，将逐步退出市场。流行的风轮机采用变速风力发电技术，是采用永磁同步发电机或异步发电机，双馈发电机在风速变化中，速度也随变化而变化，保证在不同风速时风力发电机组进行最大功率跟踪。
双馈型风力发电机组大多采用感应式异步发电机，发电机在转速要求较高的工作状态下，齿轮箱的转子转速必须提高到发电机的工作范围。感应电动机的转子端与转换器连接，并首先连接到电网，而定子端则直接连接到电网。左边的转子侧变换器通过调整转子的转速和频率，实现变速恒频运行，控制单位功率因数的同时，右侧的定子侧变流器保持直流侧电压稳定。在直接驱动的风力发电系统中采用永磁同步发电机，发电机运行速度较低，因此它可以省去双馈机组中最容易出现故障的齿轮箱，但必须与相应的全功率变换器一起使用。永磁同步发电机的输出频率和交流电压随速度的变化，所以必须通过机器旁的转换器把它转换成直流，再通过网侧变流器将其逆变为与电网频率、相位一致的电能再送入电网当中。
3 中小型智能风力发电机控制策略研究
3.1风力发电机组的最大风能捕获控制策略
由于风力发电机组的复杂性和非线性问题，对控制策略的研究和相应的风能捕获算法的研究都非常的高。文章是在中小型智能风力风力发电机组的基础上，综合之前的智能风机，风机采用逆变器和速度传感器性能较高，所以不再使用小型风力发电机爬山搜索法等常用的最大功率跟踪翻译（MPPT）控制策略，最大功率跟踪控制方法是被广泛用于大型风力涡轮机的最优转矩控制方法。根据实际操作会出现由于风速变化和单元操作过程中引起的空气动力特性的变化，并使最大功率跟踪控制单元可以快速进行最大功率跟踪控制，从而实现机组的稳定运行。
3.2风电机组的最优转矩控制策略研究
在实际运行过程中，根据运行阶段划分，风轮机最优转矩控制曲线可分为4个阶段，风机起始区、CP常数区、恒速、恒功率连续4个阶段，如图1所示。
图1风力发电机组转速-转矩控制曲线
在启动区运行时，风机要切成3m/s的风速时，转子速度得到提升，直到风轮的转速达到60rpm，在这一点上，通过变频电机和转矩加载操作导致发电机发电，如图1所示AB部分。CD段为速度恒定区，在此处由于转子转速达到额定转速，在本次选用的电机中这个值为110rpm，在此时转速保持恒定，但发电机未达到额定功率，由变频器控制电动机转矩提升使功率逐步上升为额定功率，即D点位置。当速度-转矩达到图中D点位置额定风速，此时风机已经满发，电机已达额定功率不再提升输出功率，此时通过变桨控制来降低风能利用系数，维持风轮转速恒定使风力发电机组保持额定功率点运行。
3.3最大功率控制策略分析
传统控制方法在机组运行过程中往往会出现以下问题，如反应速度滞后，不能及时进行跟踪、机组长时间在恶劣环境下运行使机组出现老化、形变等因素而可能会出现的气动特性参数发生变化使最优转矩增益系数发生改变。针对以上这些问题、情况，本文设计了一种基于粒子群的自适应改进最大功率跟踪控制。
当风速在4s左右时风速从5m/s突变到6m/s，采用传统控制方法的话需要耗时约2秒才能重新回到最大功率点稳定运行，跟踪速度偏慢，但是也可以很好地对最大功率进行跟踪。在相同的外部条件下，如果采用改进的最大功率跟踪控制方法，则可以大幅度地提高机组的动态性能，通过对比两种控制方法的功率以及风能利用系数的仿真结果，可以看出传统的方法在风速变化时用了2秒才回到最大功率点，而改进的最大功率控制方法则经过不到1秒就重新跟踪到了最大功率点。这说明了改进的最大功率跟踪控制算法可以有效地加速最大功率跟踪过程，使得机组可以更好地捕捉风能。
结语：
随着环境的恶化和日益严重的雾霾环境，绿色和清洁的分布式发电技术得到越来越多的关注。由于风力发电技术是一种取之不尽、用之不竭的能源，这就使得这种无公害化，绿色能源技术的可持续发展在世界上得到了广泛的应用。文章对分布式发电中中小型智能风机的设计与制造进行了全面的研究，为相关工作提供参考。
参考文献：
[1]贾增周.大型风力发电机组的智能滑模变结构控制研究[D].华北电力大学（河北），2008.
[2]朱健.兆瓦级变桨调速风力发电机组的智能控制系统研究[D].吉林大学，2008.
论文作者:张润卿
论文发表刊物:《基层建设》2017年第29期
论文发表时间:2018/1/7
标签：风速论文; 机组论文; 转矩论文; 发电机论文; 最大功率论文; 转速论文; 风力发电机组论文; 《基层建设》2017年第29期论文;