風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)分析綜述在早時候，風(fēng)電機(jī)都是獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的，由于其工作的獨(dú)特性，致使其令在部分偏遠(yuǎn)地區(qū)才得到應(yīng)用。然而伴隨科技的突飛猛進(jìn)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也在日趨完善，目前該發(fā)電系統(tǒng)也在不斷健全，從而出現(xiàn)了并網(wǎng)控制法，為進(jìn)一步減少風(fēng)力發(fā)電的資金投入與改善其效率，大部分都會選擇和就近電網(wǎng)進(jìn)行連接。而并網(wǎng)控制就是將風(fēng)電系統(tǒng)通過并聯(lián)方式接入大電網(wǎng)后進(jìn)行工作。為充分解決風(fēng)電并網(wǎng)所導(dǎo)致的電網(wǎng)功率波動問題，所以不但需要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，而且還必須克服上述困難。1.1并網(wǎng)數(shù)字控制技術(shù)概述隨著超大型集成電路科技的突飛猛進(jìn)，微處理器功能日益增強(qiáng)，造價日益降低，極大促進(jìn)了數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，并在電力電子變換器領(lǐng)域內(nèi)得到了普遍推廣。對于常規(guī)模擬控制技術(shù)而言，基于該技術(shù)的并網(wǎng)逆變器的性能表現(xiàn)更為突出，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)為如下幾個方面：(1)數(shù)字化元件更具優(yōu)勢，不但溫漂較小、耐干擾性能優(yōu)良、工作穩(wěn)定性以及可靠性優(yōu)良；而且架構(gòu)堅(jiān)固、功耗小、便于規(guī)范化。(2)可實(shí)現(xiàn)諸多優(yōu)良控制方案的靈活配置，例如重復(fù)式以及無差拍式控制等，能夠使系統(tǒng)性能得到有效改善。(3)可基于客觀實(shí)際而實(shí)現(xiàn)控制方案的改進(jìn)，具有特別良好的通用性，且便于系統(tǒng)升級，為實(shí)際應(yīng)用提供了極大便利性。(4)信息保存容量得到極大增加，并且其監(jiān)測控制、識別以及多級控制等功能也得到了顯著改善，構(gòu)建智能化系統(tǒng)更加容易，便于運(yùn)維。1.1.1PID控制該法主要是建立在三個微分項(xiàng)運(yùn)算基礎(chǔ)之上的，一是動態(tài)精度電流誤差值，二是誤差電流積分項(xiàng)，三是動態(tài)誤差電流偏移?；诖朔軌?qū)崿F(xiàn)對PWM電流轉(zhuǎn)化控制開關(guān)的調(diào)控，從而達(dá)到對其電流占空因數(shù)的操控。此法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)為構(gòu)造簡單、便于操作、健壯性優(yōu)良等，使其在實(shí)際項(xiàng)目當(dāng)中得到了普遍推廣。將比例（P）環(huán)節(jié)應(yīng)用到其中，能夠使其穩(wěn)態(tài)誤差得到大幅減小；通過積分(I)環(huán)節(jié)能夠?qū)⑶捌谡`差匯聚起來，使靜差得到大幅去除；而微分(D)環(huán)節(jié)則代表誤差在測量時間內(nèi)的變化趨勢，能夠使系統(tǒng)的動態(tài)性以及響應(yīng)性得到大幅優(yōu)化。誤差微分項(xiàng)對于高頻噪聲反應(yīng)特別靈敏，所以，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用當(dāng)中，一般都會通過準(zhǔn)微分”抑或PI進(jìn)行控制。在理解情況下，通過PID控制積分項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)其直流分量的無限大，進(jìn)而則可通過無靜差法對直流訊號實(shí)施操控。1.1.2滯環(huán)控制滯環(huán)控制的工作機(jī)理：首先對輸出信號進(jìn)行動態(tài)檢測，而后把檢測值和已知參考信號實(shí)施對比，基于兩者之間偏差程度來對逆變器開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行衡量，從而保障二者電流偏差一直控制在環(huán)寬中。其優(yōu)點(diǎn)表為具有良好的穩(wěn)定性以及響應(yīng)速率，同時當(dāng)系統(tǒng)指標(biāo)發(fā)生變化時其反應(yīng)不靈敏。但是，此種方法的開關(guān)頻率并非固定，這會加大濾波器在設(shè)計(jì)上的困難。1.1.3其他控制方式重復(fù)控制該法是建立在內(nèi)模理論基礎(chǔ)之上的，所謂內(nèi)模理論，也就是在控制器中內(nèi)置外部訊號動態(tài)模型，進(jìn)而形成一個優(yōu)化型反饋控制系統(tǒng)，其精度更加優(yōu)良。構(gòu)建數(shù)字化重復(fù)控制的大體思路：倘若在上一個基波周期內(nèi)出現(xiàn)了畸變，并且在后面周期內(nèi)還會不斷出現(xiàn)，那么每個周期反饋訊號與基準(zhǔn)訊號兩者間則會產(chǎn)生一個偏差，那么控制器則會基于該偏差而形成相應(yīng)的校正信號，并且于后面一個基波周期內(nèi)，將該信號與本來控制信號進(jìn)行相互疊加，以此來達(dá)到將后面所有周期不斷形成的畸變進(jìn)行清除的目的。無差拍控制該法是建立在數(shù)字基礎(chǔ)之上的控制模式之一，應(yīng)用該法的基本前提是獲得關(guān)于受控對象的精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型。它的工作機(jī)理為：給出關(guān)于逆變器的狀態(tài)方程，同時基于對反饋信號的檢測而獲得下一周期的脈沖寬度。該法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)為：波形畸變較低，具備迅速的動態(tài)響應(yīng)特性，當(dāng)開關(guān)頻率相對較低時，其輸出波形相對優(yōu)良，其不足之處在于：控制效果與模型精準(zhǔn)度之間密切相關(guān)，倘若模型出現(xiàn)偏差，則易導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。1.2并網(wǎng)方法1.2.1自動準(zhǔn)同步的并網(wǎng)對于自動準(zhǔn)同步電機(jī)而言，其能夠同時輸出有功與無功功率，故而，在不少并網(wǎng)控制系統(tǒng)內(nèi)，均會選擇該類發(fā)電機(jī)。通過該類發(fā)電機(jī)能夠獲得高質(zhì)量電能，同時其還具備特別大的輸出功率，這是它能夠獲得普遍推廣的其中一種關(guān)鍵因素。（3-1）輸出的交流電的頻率用來表示，其國際單位為Hz；公式中的p代表了極對數(shù)；電機(jī)的轉(zhuǎn)速即，(r/min)。倘若在系統(tǒng)達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的同時引入該技術(shù)，則其電壓就會更加穩(wěn)定，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了極大增強(qiáng)，然而該技術(shù)的應(yīng)用也是有限制條件的，倘若應(yīng)用不合理則會致使元件或裝置被損毀。實(shí)際上將該技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電目前也是不可能，由于的它的適用條件比較苛刻，它要求系統(tǒng)的電壓波動在5%~10%，同時頻率波動也要求特別小，而現(xiàn)實(shí)是，在風(fēng)電系統(tǒng)中，這兩指標(biāo)波動均特別大，進(jìn)而形成了實(shí)踐與理論之間的非對等現(xiàn)象。1.2.2自同步的并網(wǎng)在并網(wǎng)控制過程中，倘若轉(zhuǎn)子速率與同步轉(zhuǎn)速趨同時，轉(zhuǎn)子則會啟動電流短路機(jī)制，從而防止部分?jǐn)?shù)值的上升，遇到這種情況時，則必須進(jìn)行現(xiàn)場檢查，通過發(fā)電機(jī)的自檢功能，對轉(zhuǎn)子與定子之間的相干性進(jìn)行考察。在發(fā)電機(jī)與供電網(wǎng)絡(luò)之間勵磁還未增加時進(jìn)行同步，此時則可把合閘視作零，使分析過程得到極大簡化，這時無需考慮相位角以及是電壓高低[13]。此并網(wǎng)模式的優(yōu)勢十分突出，例如運(yùn)行簡單，并網(wǎng)速度特別快；然而倘若出現(xiàn)電壓降低時，則會馬上短路，從而會導(dǎo)致電流瞬間變大，這會給系統(tǒng)造成嚴(yán)重的制約作用。故而，為有效解決該問題，一般會對電壓和電網(wǎng)之間的比值進(jìn)行控制，從而使其維持在一個固定常數(shù)上。在并網(wǎng)控制過程中，倘若工作轉(zhuǎn)速無法達(dá)到同步，則意味著勵磁不足，為盡快實(shí)現(xiàn)同步，則需要馬上進(jìn)行充磁，并網(wǎng)速度會伴隨磁量增速上升而提升。然而要想實(shí)現(xiàn)對節(jié)奏與時間的掌控，是不能急于求成而盲目提速的，由于馬上充磁會導(dǎo)致力矩的驟增，其危害性十分巨大。1.2.3直接并網(wǎng)對于該并網(wǎng)方式，眾所周知，其中有著無窮拓展的井字格，即網(wǎng)格，而要實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的自動工作則需要控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，使其與工作速度趨同；此模式相對于定、轉(zhuǎn)子速度一致的電機(jī)而言，其電壓更易于實(shí)現(xiàn)同步，由于一般均會通過速率檢測法來獲得所需信號，它的開關(guān)閘具有良好的智能性，僅需接通開關(guān)，其他工作均是通過電網(wǎng)系統(tǒng)來自動完成。通常小型異步發(fā)電機(jī)會選擇該模式，從而盡量減小沖擊電流?；谠鏊傧涞漠惒桨l(fā)電方案，是通過鼠籠式機(jī)組來實(shí)現(xiàn)直接并網(wǎng)的，這是一種恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)[14]。通過電容對其進(jìn)行無功補(bǔ)償，從而使其功率因數(shù)逼近于1。此法構(gòu)造簡單，易于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，然而因?yàn)槠浒l(fā)電效率相對較小，故而當(dāng)其工作在高轉(zhuǎn)差率狀態(tài)時，則極易發(fā)熱，另外，增速箱的維護(hù)費(fèi)用相對昂貴。圖3-1風(fēng)能帶動的渦輪電機(jī)原理圖過零觸發(fā)的意思為在特定階段內(nèi)使特別多的頻率經(jīng)過晶閘管。全部元件全開，該作用使其更易于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，同時也提升了操控的方便性，由于此流程中不會產(chǎn)生諧波，從而防止了許多不利情況的出現(xiàn)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了改善。1.2.4雙饋并網(wǎng)對于雙饋發(fā)電機(jī)而言，其大多數(shù)電能均是利用定子實(shí)現(xiàn)輸出的，同時電網(wǎng)又為其提供勵磁功率。另外，轉(zhuǎn)子則借助雙向AC/DC/AC逆變器與電網(wǎng)相連，使能量能夠在二者間相互流動，基于轉(zhuǎn)子交流勵磁來實(shí)現(xiàn)對其轉(zhuǎn)矩的控制[15-17]。倘若發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度出現(xiàn)改變時，則可基于對轉(zhuǎn)子勵磁頻率的改變來實(shí)現(xiàn)定子頻率的不變性，進(jìn)而達(dá)到恒頻發(fā)電效果，以符合并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，這是一種恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)。由于轉(zhuǎn)子端僅需要對轉(zhuǎn)差能量進(jìn)行處置，故而對于雙向變流器而言，其功率只須達(dá)到風(fēng)機(jī)組的1/3就可以，從而有效減小了變流器的成本。在直驅(qū)并網(wǎng)方式當(dāng)中，全部選擇應(yīng)用永磁同步機(jī)組，葉輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間不通過增速箱進(jìn)行連接。因?yàn)樵擃惏l(fā)電機(jī)無須借助于外來勵磁，從而使發(fā)該發(fā)電機(jī)的功率與能耗得到有效減小，并且還使其機(jī)械效率得到有效改善。因?yàn)轱L(fēng)場的時刻波動，導(dǎo)致發(fā)電壓振幅與頻率具有極大波動性，故而必須借助于變流器進(jìn)行調(diào)節(jié)，將其轉(zhuǎn)變成恒頻恒壓的交流電，而后再與電網(wǎng)相連[18-20]，如今雙饋式以及直驅(qū)式成為探索焦點(diǎn)課題，二者各具特色；雙饋式所采用的變流器功率相對偏小，使得整個系統(tǒng)的成本被大幅度地降低，然而在增速箱維護(hù)方面卻存在較大難度。直驅(qū)式的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)為省略了增速箱，使系統(tǒng)效率以及可靠性得以有效改善，然而其不足在于變流器功率需求較大。1.3并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)必須滿足三個條件：=1\*GB3①確保電壓波動≤10%；=2\*GB3②必須保障相位次序完全一致，同時各相位差一定要≤20度；=3\*GB3③頻率振幅≤0.3Hz。其具體詳情參考如下表3-1：容量電壓差相位差頻率差0-50010200.3500-15005150.21500-100003100.1表3-1并網(wǎng)的三要素1.4并網(wǎng)技術(shù)存在的問題1.4.1電壓閃變目前，在大多數(shù)風(fēng)電場中，均是通過軟并聯(lián)模式來實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)組與電網(wǎng)相連的。倘若風(fēng)速過大時，其肯定會偏離額定輸出狀態(tài)。試想發(fā)電站內(nèi)那么多設(shè)備共同運(yùn)轉(zhuǎn)，這會形成特別強(qiáng)大的沖擊，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電網(wǎng)的閾值。再加上塔影效應(yīng)地影響，則會進(jìn)一步加劇輸出的波動性，例如電壓出現(xiàn)變化時，頻率則會特別小。所以，在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，其輸出功率則會由于網(wǎng)格電壓閃變而出現(xiàn)較大波動性[21]。1.4.2諧波污染風(fēng)電諧波通常包括兩種：=1\*GB3①風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的電子元件會形成一些諧波。由于與一個恒定速度的渦輪機(jī)進(jìn)行連接，起始時電子元件是與電網(wǎng)相連的，此時一定會有諧波形成，然而這時因?yàn)槠漕l率特別小并且特別短暫，則能夠忽略不計(jì)。然而對于變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)而言，則正好相反，由于其內(nèi)置元件與電網(wǎng)相連時，電子元件的啟閉頻率已大于限定范圍，這時就會造成十分嚴(yán)重的諧波污染。不過伴隨目前科技的日趨完善，電子裝置也在日益成熟，上述困難也會陸續(xù)被攻克。=2\*GB3②通過電容器對風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)行并聯(lián)補(bǔ)償時，則會和感抗相互影響，從而形成諧波振動。1.4.3電壓穩(wěn)定性大型風(fēng)電場周圍的電壓一般會出現(xiàn)特別大的振幅，究其原因主要包括三個方面：①風(fēng)電機(jī)組在起始運(yùn)動時，會形成特別大的電流變化。②雖說一臺風(fēng)電機(jī)所產(chǎn)生的制約作用十分小，然而卻會保持很久，當(dāng)其停止運(yùn)轉(zhuǎn)后，需要很久這種波動方會冷卻。③進(jìn)行并網(wǎng)時，諸多風(fēng)電機(jī)組共同接入，則會導(dǎo)致電壓減小。風(fēng)電機(jī)組的輸出功率也會由于并網(wǎng)而受到影響，例如當(dāng)風(fēng)場超過額定風(fēng)速時，則會下降到特別小，這樣，如此則會導(dǎo)致大部分內(nèi)置電容共同進(jìn)行補(bǔ)償，則會使負(fù)荷進(jìn)一步加劇，致使電壓進(jìn)一步下降。1.4.4無功控制目前風(fēng)電機(jī)組一般都采用感應(yīng)發(fā)電機(jī)，在風(fēng)電并網(wǎng)過程中，會產(chǎn)生電壓偏差，究其原因或許是由于無功功率過大，導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)一步加劇所致。故而為克服該困難，使其運(yùn)轉(zhuǎn)效率得以改善，同時降低運(yùn)行成本，一般均會通過電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償。1.5不同類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)1.5.1同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)同步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速率通常用進(jìn)行表述。同步風(fēng)電并網(wǎng)控制技術(shù)主要包括兩類，一是自整步并網(wǎng)模式，二是準(zhǔn)確整步并網(wǎng)模式。這是一個相當(dāng)復(fù)雜的并網(wǎng)過程，其頻率以及相位必然會出現(xiàn)偏差，但是其他指標(biāo)均須確保一致。應(yīng)用模式一的詳細(xì)流程是：倘若轉(zhuǎn)子側(cè)沒的勵磁，而線團(tuán)內(nèi)有勵磁，那么馬上會通過單向電阻，從而導(dǎo)致短路，這時則需要控制轉(zhuǎn)速，讓其等于同步轉(zhuǎn)速，而后再將填充勵磁的同步風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)相連，然后閉合配電網(wǎng)絡(luò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)同步工作。利利用同步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的優(yōu)勢在于：能實(shí)現(xiàn)自勵磁，并且還可有效利用電網(wǎng)來獲以電能，故而能夠確保電網(wǎng)具備特別良好的穩(wěn)定性，特別需要強(qiáng)調(diào)的是，這種自勵磁模式可使其輸出效能得到有效改善。1.5.2感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)將感應(yīng)式與同步式兩種發(fā)電機(jī)進(jìn)行比較，會發(fā)現(xiàn)兩者轉(zhuǎn)速存在大幅差異，由于前者相對于后者，或大許多，或小放多，故而為獲得滑差率的計(jì)算公式，則首先確定二者轉(zhuǎn)速差（-n）,而后再與相除，即，其中n與依次表示感應(yīng)式與同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對于異步風(fēng)電機(jī)組而言，其更便于操作，并網(wǎng)時對轉(zhuǎn)速的要求相對寬松。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)得出最主要的是控制好電路負(fù)載能力，基于多次實(shí)驗(yàn)得出，利用對的調(diào)整則能夠達(dá)到改變負(fù)載能力的目的，其有效性得到了充分驗(yàn)證。實(shí)現(xiàn)該類風(fēng)機(jī)并網(wǎng)時，起始階段，其可以吸收無功功率，接著實(shí)現(xiàn)電能輸出。能夠?qū)崿F(xiàn)與電網(wǎng)的直接相連，并且還可通過部分方法將其與兩電網(wǎng)相連。該電機(jī)并網(wǎng)控制的優(yōu)勢更為突出，而最主要的則是控制方便、快捷，并且發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，造價更低廉。其缺點(diǎn)主要體現(xiàn)無法實(shí)現(xiàn)無功功率自吸收，而是依賴網(wǎng)格方可，另外，還能夠形成自勵磁，如此方可進(jìn)行無功補(bǔ)償。1.5.3雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)對其進(jìn)行并網(wǎng)控制時，風(fēng)機(jī)會對發(fā)電機(jī)造成極大制約作用，并且會在電網(wǎng)間進(jìn)行傳導(dǎo)，進(jìn)而導(dǎo)致大電網(wǎng)也會受到影響，所以為解決該問題，則可局部采用自動開關(guān)與變流器進(jìn)行相連從而構(gòu)成電流控制器，而大多數(shù)則通過PWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電能輸出的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用時，為實(shí)現(xiàn)恒頻輸出，則必須確保轉(zhuǎn)子速率和風(fēng)速相同方可[22]。應(yīng)用該并網(wǎng)控制模式的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)為：易于實(shí)現(xiàn)功率控制，由于其并網(wǎng)簡單，所以能夠快速完成電網(wǎng)接入；突變電流不會對電網(wǎng)造成制約作用，故而更便于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，有效改善了其發(fā)電效