打开文本图片集

摘要：如今，风力用转换器通常会搭配最大功率追随控制，但由于风资源高度的不稳定性，风速每秒都在改变，若使用最大功率追随，则需要规范大量的风速数据，在转换器内的硬件及软件指令周期通常会跟不上风资源改变的速度，而最大功率追随并不适用于风力发电系统中。因此，为了解决现有技术中存在的上述问题，现研究一种应用于风力用转换器的全功率控制及其操作方法，使得其利用全功率控制方法达成风机转速及风力发电系统输出功率的控制。

关键词：风力；转换器；输出功率；功率控制；

前言

风力发电系统中的全功率控制是指通过对风力涡轮机的转速和桨叶角度进行精确控制，以实现最大化的风能转换和最大输出功率的调节。全功率控制技术旨在使风力发电机组在不同风速和气象条件下，始终运行在最佳工作状态，提高风能的利用效率。在全功率控制中，风力涡轮机的转速和桨叶角度会根据实时的风速和机组状态进行调整。当风速较低时，全功率控制系统会使涡轮机转速增加，以提高转子叶片的相对速度，从而更好地捕捉风能。当风速较高时，全功率控制系统会相应降低转速和调整桨叶角度，以避免机组过载并保护设备的安全运行。通过实时监测和反馈控制，全功率控制系统能够使风力发电机组在不同工况下实现最大化的风能捕捉，并将其转化为电能输出。

一般应用于再生能源的电力转换器在运作时，该电力转换器都会依循功率控制曲线进行输出功率控制，以太阳能用电力转换器为例：太阳能板会根据日照强度不同，输出不同等级的直流电压，太阳能用电力转换器会根据不同等级的直流电压，输出相符该电压等级的功率；相同地，在电力转换器中，风力机会根据不同风况反映不同等级的交流电压及电压频率，风力用转换器亦会根据不同等级的交流电压，输出相符该电压等级的功率；这种太阳能用及风力用转换器的功率控制曲线，大多是应用最大功率追随（MPPT）控制法得出，但基于风资源的高度不确定性，最大功率追随控制法并不适用于风力发电系统上。

1.研究意义

在风能发电领域，探究一种应用于风力用转换器的全功率控制及其操作方法，具有重要的作用和意义。风力发电是一种可再生能源的重要形式，通过转换风能为电能，为可持续发展做出了重要贡献。然而，由于风能的不稳定性和不可预测性，风力发电系统往往面临着一系列的挑战，如电网连接问题、功率波动以及电能质量问题等。而本文提出的方案旨在解决这些挑战，提高风力发电系统的性能和可靠性。全功率控制是指通过对风力转换器的控制，实现对输出功率的精确调节，以适应不同的工作条件和电网要求。这种控制方法可以最大程度地利用风能资源，并确保风力发电系统稳定运行。

2.背景技术

电力电子装置在风力转换器的全功率控制中起着关键作用。例如，变频器和逆变器可以将风力转换器的输出电能转换为适合电网连接的交流电能。这些装置还能实现对转子速度、转矩和电压等参数的精确控制。此外，先进的功率电子开关器件（如IGBT和SiC MOSFET）的应用可以提高转换效率和系统响应速度。其次，全功率控制方法依赖于先进的控制算法和策略。例如，传统的PID控制器可以通过对传感器反馈信号进行比例、积分和微分运算来实现控制。然而，随着研究的深入，模糊控制、神经网络和模型预测控制等智能控制方法被应用于全功率控制中，以提高系统的性能和鲁棒性。

准确的风能特性建模对全功率控制至关重要。研究人员使用传感器数据、气象数据和数学模型等来描述风速、风向和风力梯度等风能特性。这些模型可以帮助预测风力转换器的输出功率，并为控制算法提供参考依据。全功率控制方法还要考虑风力发电系统与电网之间的连接和电能质量问题。电网连接要求满足电网的频率、电压和无功功率等要求。因此，研究人员需要开发相应的控制策略，以确保风力发电系统的平稳运行并实现有效的电网连接。

3.全功率控制技术发展现状和挑战

目前，全功率控制技术已经取得了显著进展，并在实际风力发电系统中得到广泛应用。全功率控制方法的研究已经从传统的传感器反馈控制逐渐发展到基于模型的预测控制方法。传统的控制方法依赖于传感器测量，对环境变化和故障具有较弱的适应性。而基于模型的预测控制方法利用数学模型对风力转换器进行建模，并通过预测和优化控制算法实现对全功率的精确控制。这种方法具有较高的控制精度和鲁棒性，能够适应不同的工况和电网要求。而全功率控制技术还结合了先进的电力电子装置和智能控制算法，提高了风力发电系统的性能和效率。例如，采用高性能的可编程逻辑控制器（PLC）和现代化的功率电子装置，如多电平逆变器和直流-直流转换器，可以实现更精细的功率控制和电网连接。智能控制算法，如模糊控制、神经网络和模型预测控制等，可以提高系统的响应速度、稳定性和抗干扰能力。

全功率控制技术还面临一些挑战和研究方向。其中之一是对风力转换器的建模和仿真研究，以更准确地描述其动态特性和行为。另一个挑战是如何在复杂的环境条件下实现全功率控制，如变化的风速、不确定的负荷需求和电网波动等。因此，研究人员正在不断改进控制算法、优化方法和智能化技术，以提高全功率控制的性能和鲁棒性。

4.具体方案和操作方法

如图1图2所示，这种应用于风力用转换器的全功率控制及其操作方法，是以风机转速为基准，由开始启动转速，进入切入转速到切出转速直至刹车保护停机为止的控制方式，以功率对转速为基础，设计一条全功率控制曲线，风力用转换器则根据该全功率曲线进行风机转速控制。其次，风机在不同转速会反映出不同的电压等级及电压频率，其电压等级与电压频率都正比于风机的转速，因此由侦测电压频率得知风机转速，并由电压等级判断输出功率大小。由风机转速控制风力转换器输出功率大小。而全功率控制方法包括以下步骤：侦测风机的目前电压水平及电压频率；判断转速是否小于切入转速，若该转速小于切入转速，判断功率是否小于启动功率，若功率也小于启动功率，则进入启机范围，转换器输出较低功率到电网，反之，若功率大于启动功率，则全功率控制曲线不符发电机特性，重新设定曲线及操作点；若转速大于切入转速，则判断转速是否小于切出转速，若该转速小于切出转速，判断功率是否小于可操作功率，若功率也小于可操作功率，则进入可操作范围，转换器输出较高功率到电网，反的，若功率大于可操作功率，则全功率控制曲线不符发电机特性，重新设定曲线及操作点；判断转速是否等于切出转速，若该转速等于切出转速，判断功率是否小于保护功率，若功率也小于保护功率，则进入保护范围，转换器输出高功率到电网，反之，若功率大于保护功率，则进入停机范围，转换器停机，风机停机一段时间后，由转换器再次自动启动风机；若转速大于切出转速则转换器停机，并于风机停机一段时间后，由转换器再次自动启动风机。启机范围可根据不同发电机特性及风机用转换器特性而有所改变。可操作范围可根据不同发电机特性及风机用转换器特性而有所改变。保护范围可根据不同发电机特性及风机用转换器特性而有所改变。停机范围可根据不同发电机特性及风机用转换器特性而有所改变。

本方案通用于垂直轴风力发电系统及水平轴风力发电系统。风力发电机由静止开始受风转动，风机为启机状态并输出较低电压水平的交流电压，其电压频率也较低，对应到风机用转换器内全功率控制曲线，此时为启机范围，风机用转换器则输出较低的功率到电网上；风机持续受风并开始加速，风机输出较高水平的交流电压及较高的电压频率，对应到全功率控制曲线为进入可操作范围，风机用转换器则输出较高的功率到电网上；风机持续受强风吹袭并高速运转，风力用转换器则判定风机进入保护范围，此时风力用转换器会由控制风机输出电压将风机转速控制在一额定值，限制风机转速持续上升；当强风还是持续吹袭且风力用转换器无法控制住风机输出电压时，风力用转换器则判定风机进入停机范围，此时风力发电系统则应进行相对应的停机作业。

综上所述，这种设计可以利用风力发电机所输出的电压、电流及电压频率等信息，透过风力用转换器的判读，得到发电机输出功率以及发电机转速信息，并根据风力用转换器的全功率控制曲线对风力发电机进行控制，此种方法可有效且快速的控制风机，并可藉由调整曲线中的操作点（切入点、切出点、保护点及停机点等），以适用于不同发电机特性及不同转换器特性。

5.未来发展方向

这种全功率控制方法在未来将继续迎来更多的发展和创新，以满足不断增长的可再生能源需求和提高风力发电系统的性能。未来的研究将着重于提高风力转换器的能量捕获效率。这包括优化风力转换器的结构和设计，以使其在多种风速范围内都能实现高效能源转换。此外，探索新型材料和先进制造技术，以减少能量损失和提高转换效率，也是重要的发展方向。随着人工智能和自动化技术的快速发展，未来的研究将致力于将这些技术应用于全功率控制中。智能化控制算法、模型预测控制和深度学习等方法可以提高系统的自适应性、鲁棒性和响应速度。同时，结合大数据分析和云计算技术，实现对大规模风力发电系统的智能监控和优化也是未来的发展方向。

未来的风力发电系统将更多地与其他可再生能源和储能技术相结合，形成多能源系统。这种集成可以通过全功率控制技术实现不同能源之间的协调和优化，提高整个系统的可靠性和灵活性。同时，将风力发电系统与电动车充电设施、水电站等能源基础设施相互连接，促进能源的互补利用和能量的平衡。随着风力发电容量的增加，对电网的响应和稳定性要求也越来越高。未来的研究将关注全功率控制技术在电网连接、功率调节和电能质量方面的应用。这包括开发具有削峰填谷能力的控制策略，有效管理风力发电系统对电网的影响，并提供可靠的电力供应。

结语

目前来说，应用于风力用转换器的全功率控制的发展取得了显著进展，但仍存在一些挑战和待解决的问题。随着技术的不断创新和研究的深入，全功率控制技术将进一步完善，为风力发电系统的可靠性、效率和智能化水平提供更好的解决方案。

参考文献：

[1]抑制新能源经直流外送系统过电压的水电机组协调控制策略[J].高本锋；杨健；宋胜利；张寒；赵书强；景璟.中国电机工程学报，2021（18）

[2]基于MMC-HVDC的海上风电柔直系统频率波动抑制技术[J].宋伟宏；杨林刚；林磊；王霄鹤；周才全.高电压技术，2021（08）

[3]风力发电机组全功率试验台搭建及应用[J].牛成；鲁效平；陆帅.电气传动，2021

[4]全功率变频抽水蓄能机组技术应用浅析[J].衣传宝；杨梅；梁廷婷；梁国才.水电与抽水蓄能，2020

[5]全功率风电系统高电压穿越的仿真与实验研究[J].喻俊鹏；黄峰一；胡斌.电源学报，2016

[6]变速恒频双馈风电机控制与全功率试验分析[J].井延伟；田沛.仪器仪表用户，2009