直接功率控制 – 风力发电中的新颖控制方法
2015-06-16

风力发电是当今发展最快的新能源发电技术之一。到2020年,总的装机容量预计将可生产1866万亿瓦特时的电量。这意味着届时风力发电可以满足全球8%的用电要求。在风能市场,双馈感应发电机是风电机组中最为常用的结构。它有着多方面的优点,比如大风速范围的最大功率跟踪,有功功率和无功功率的解耦控制,采用低功耗的功率转换器,等等。
然而,传统的控制方法都是基于矢量控制。这种方法需要脉宽调制器来产生门驱动信号。而且,它引入了坐标变换和比例-积分调节器,大大增加了控制系统的复杂性,降低了系统稳定性。
为了克服矢量控制的缺点,本项研究提出了一种先进的直接功率控制方法。首先,我们测量发电机实际输出的有功和无功,然后将这个测量值与给定值比较。两者的误差送入滞环比较器产生数字信号。最后,根据这个数字信号和磁链位置,通过查表选取合适的电压矢量来控制功率变换器。这种方法结构简单,动态响应快。




图1 基于双馈电机的风力发电系统及其控制中心。





图2 实验测试结果:(a) 有功功率和无功功率, (b) 电流和风速。

图1所示为风力发电机组内部的结构,其双馈发电机由两个绕组式感应电机组成并由风涡轮驱动。图2所示为测试结果。风速由450转/分钟逐渐上升至975转/分钟,而有功功率的给定值为正弦。由图可见,发电机实际输出功率(蓝线)很好地跟踪其给定值(红线),展现出优越的动态性能。此外,发电机的电流以安全的模式随着功率的改变而改变。
总的来说,本项研究提出了基于直接功率控制的风力发电机新颖控制策略。发电机输出的有功和无功功率可以实现解耦控制,整个控制系统更加简单可靠。实验结果证明了控制策略的有效性,展现了优越的动态性能,跟踪能力和改善的电能质量。这些优点表明该方法在风力发电领域有着广泛的应用前景。

胡杰峰,副教授,自动化科学与电气工程学院,卓越百人,E-mail: jhu@buaa.edu.cn
参考文献
[1] Wind Energy Council, “Global wind energy outlook 2012,” November. 2012.
[2] J. Hu, J. Zhu, Y. ,bZhang, G. Platt, Q. Ma and D. G. Dorrell, “Predictive direct virtual torque and power control of doubly fed induction generators for fast and smooth grid synchronization and flexible power regulation,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 28, no. 7, pp. 3182–3194, July 2013.
[3] J. Hu, J. Zhu, and D. G. Dorrell, “A new control method of cascaded doubly fed induction generators using direct power control,” IEEE Trans. Energy Conversion, vol. 29, no. 3, pp. 771–779, September 2014.

以上最新研究成果已发表于国际电气与电力电子领域顶级期刊IEEE Transactions on Power Electronics 和 IEEE Transactions on Energy Conversion,为SCIE Q1区高引用文章,应用次数为29.