摘要：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
一、风力发电技术的现状
当前，随着我国科学技术水平的不断发展，风力发电技术也得到了广泛的应用。风力发电的基本原理就是利用风能设备，把因为温差产生的空气流动不断的向电能转化。实际上就是利用空气中的动能，也就是”风能”来带动风车设备的叶片的旋转，之后把叶子的转轴连接到增速机器上提高旋转的速度，从而把机械的动能向机械能转化，之后通过转轴带动发电机起到发电的作用。
世界风力涡轮发电市场的增长速度比较快，利用风力发电已经在发电行业中占据了重要的地位，在市场上各种风力涡轮发电设计技术具有明显的不同，一个主要的区别就是发电系统的不同和风力涡轮结合的不同。一项新技术在风力发电行业上得到广泛应用，就能更好的利用风力提供能量，这种新技术就是风速来决定大电机的转速，这样一来，发电机捕获的能量会更高，也比较容易控制其有功功率和无功功率。
二、风力发电技术的基本原理
风力发电的基本原理是把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，即利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮、发电机和塔架三部分。
风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只或两只以上的螺旋桨形的桨叶组成。当风吹向桨叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。
塔架是支承风轮、尾舵和发电机的构架。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定。发电机的作用，是把由风轮得到的恒定转速，通过升速传递给发电机构均匀运转，因而把机械能转变为电能。
小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统，包括发电机和变流器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁或励磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
三、风力发电技术
3.1 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。
3.2 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。
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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆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。
3.3 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。
四、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
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。
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。
2.网侧变换器直接功率控制
（一）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。
（二）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。
（三）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：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。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。
结束语
随着风能的广泛应用，风力发电技术不断发展，主要趋势是发电成本不断降低，发电功率不断给上升，并且逐步从陆地风力发电向海上风力发电发展。为实现风力发电的规模化，要不断创新发电技术，实现风力发电的高效性，同时在功率控制方面，要结合实际，不断优化发电机组内部机构，使风力发电的电量更加稳定、高效。
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论文作者:雷倩
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/4/1
标签：变换器论文; 风力发电论文; 功率论文; 系统论文; 风力论文; 发电机论文; 风轮论文; 《电力设备》2018年第29期论文;