风力发电并网与控制技术研究

风力发电并网与控制技术研究摘要针对风力发电并网系统运行不稳定、可靠性低和保护措施不全等缺点，本文提出了一套新型的并网控制方案。采用同步PI控制实现最大功率点跟踪（MPPT），并提出了一种新型的三角波比较方式下的电流跟踪方法，优化可开关频率和电网电压畸变，从而达到较好的并网控制及直流侧的稳定控制。在孤岛保护方面，采用主动电流干扰法，从而实现孤岛效应的无盲区检测。关键词风力发电；并网逆变器；电流控制随着全球能源消耗速度的持续增长，常规能源资源日益枯竭。风力发电（简称风电）以其无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，造价低等特点，越来越受到世界各国的重视。并网逆变器作为风力并网发电系统中的重要设备之一，其性能优劣直接关系到发电效率及输出电流波形电能质量，因此，对于并网逆变器的控制尤为重要。随着电力电子技术的发展和现代控制技术的发展，人们对其变流电路和整机控制系统的改进提出了很多方法，将神经网络理论、变结构控制与鲁棒控制、模糊控制理论及自适应PID控制等各种各样的智能控制理论引入到了风电机组的控制系统中，从而大大促进了机组性能优化。风能并网发电系统中需要解决的控制问题主要有直流侧电压的稳定控制和并网逆变器的并网控制以及孤岛效应的防护等。国内的相关科研院所在风力发电并网系统的控制策略及其硬件实现方面的研究已取得了不少成果，但自主研制的风力发电并网系统存在系统运行不稳定、可靠性低和保护措施不全等缺点。因此，本文在对风力并网发电研究的基础上，对系统各部分所采用的控制策略进行对比，采用同步PI控制实现最大功率点跟踪（MPPT），并提出了一种新型的三角波比较方式下的电流跟踪法，优化可开关频率和电网电压畸变，从而达到较好的并网控制及直流侧的稳定控制。在孤岛保护方面，采用主动电流干扰法能实现孤岛效应的无盲区检测。1主电路结构和原理分析风力发电并网逆变器的主电路拓扑结构如图1所示。该电路把风电机组输出的直流电能通过功率器件（IGBT）的换相转换成适合于馈入电网的交流能量，由于电网反映电压源的特性，因此馈入电网的能量应以电流源的形式出现。逆变桥输出的SPWM电压波形通过交流侧LC滤波作用转换成符合要求的正弦波电流馈入三相交流电网。变压器起到将并网逆变系统与电网隔离的作用。2并网逆变器控制策略2.1控制目标风力发电并网系统是一个将直流电转化为正弦交流电的过程，它实际上是一个有源逆变系统。并网逆变器的控制目标：控制逆变电路输出的交流电流为稳定的高质量的正弦波，且与电网电压同频、同相。因此选择并网逆变器的输出电流为被控量，并网逆变工作方式下的等效电路和电压电流矢量图如图2所示。图中Ua为逆变电路交流侧电压，Unet为电网电压。因为并网逆变器的输出滤波电感的存在会使逆变电路的交流侧电压与电网电压之间存在相位差，即：为了满足输出电流与电网电压同相位的关系，逆变输出电压要滞后于电网电压。在并网发电系统中，并网逆变器工作在有源逆变状态且其功率因数应为l，以保证不对电网造成污染。当电网电压Unet一定时，若控制Ua沿ab方向调节，则从矢量图中可以看出电感电压矢量UL滞后电网电压矢量Unet90°，并网输出的电流I超前电感电压矢量UL90°，即与电网电压同相位，从而实现无污染的并网输出。2.2控制策略对于无穷大公共电网，逆变器作为电流源向电网输送电能。通过控制逆变器输出电流即可控制输出功率。并网逆变器会引入附加的谐波，因此注入电网的电流谐波大小是一项重要指标，受到了人们的广泛关注。IEEEStd929－2000和IEEEStd.P1547标准对并网发电的电源系统注入（下转第108页）（上接第152页）电网电流的谐波做出了严格的限制，总谐波失真（THD）小于5%，3、5、7、9次谐波小于4%，11-15次小于2%，35次以上小于0.3%。因此，输出波形质量是反映控制策略性能的重要指标。通过对风力发电并网与控制理论分析的基础上，对系统各部分所采用的控制策略进行对比，采用在同步PI控制下实现MPPT运行和三角波比较方式下的电流跟踪法的控制策略,克服了传统方法不能随着各参数变化而自动调节的情况。运用电网并联的PWM逆变器控制系统，采用电流瞬时值反馈控制，直接以电网电压同步信号为逆变器输出电流跟踪指令，通过对网侧电流的闭环跟随控制，实现以单位功率因数向电网馈送电能。对系统的稳定性进行了分析，优化了开关频率和电网电压畸变，从而达到较好的并网控制及直流侧的稳定控制。同时使逆变器输出正弦电流的频率和相位与电网电压一致。MPPT模块输出值经过PI调节后作为电流内环有功电流ipv*，然后与电网电流中的有功电流分量ip*值叠加得到并网逆变器的参考电流i*；三角波比较方式下的电流跟踪方法是把指令电流和逆变器实际输出电流相比较，将其差值通过放大器后再和三角波比较，产生触发开关器件的PWM波形信号。可随参考电流变化率、直流侧电压、电网电压和开关频率的大小而自动调节，优化可开关频率和电网电压畸变，从而达到较好的并网控制及直流侧的稳定控制；并且其与滞环比较电流跟踪控制方法相比有开关频率固定，谐波含量少的优点。为减小检测盲区和提高准确性，采用主动电流干扰法对并网逆变器进行孤岛检测。通过周期性地改变逆变器输出电流幅值，不影响电网的频率，对电网不产生谐波，并且单台运行时不存在不可检测区。3结束语本文以风力发电并网逆变器的控制为目标，研究了风力发电并网逆变控制系统中的一系列关键技术。在深入分析风力并网发电控制原理的基础上，提出了一套行之有效的控制方法。同时对于其他类型可再生能源并网逆变器的控制具有普遍指导意义。参考文献[1]何东升,刘永强,王亚.并网型风力发电系统的研究[J].高电压技术,2008,34(1):142-147.[2]姚新佳,曾小明.基于神经网络的风力发电控制系统[J].控制与决策,1997,12(7):482-486.[3]杨俊华,吴捷.风力发电机组的作线性控制一变结构栉制与鲁棒控制[J].动力工程.2003,23(6):2803-2809.[4]李树广,何志明.模糊自适应PID控制在立式风力发电系统中的应用[J].测控技术,2003,22(7):24-27.[5]IEEE15471,”IEEEstandardforinterconnectingdistributedresourceswithelectricpowersystems,”2005.