風力發電系統共振規避控制策略研究

■ 韓莉婭 楊建國徐蘭琴 趙輝 李學

云南品森科技有限公司

風力發電系統共振規避控制策略研究

■ 韓莉婭 楊建國*徐蘭琴 趙輝 李學

云南品森科技有限公司

通過使用人工風洞模擬不同等級的風對風力發電機運行情況進行實驗，觀察到風機轉速與系統固有頻率接近時，系統振動較為強烈，并從充、放電控制角度提出一種快速通過系統共振頻率的解決方案。通過該控制方法的應用能夠縮短因風力發電機旋轉速率與系統固有頻率接近時產生共振的時間，減小因共振對系統造成的影響。

風光互補；風力發電；共振；PWM調制；控制器

0　引言

隨著可再生能源的發展和人們對居住環境的逐漸重視，清潔能源的使用與需求在不斷增加，世界各國都出臺相關政策鼓勵和支持清潔能源的發展。我國政府對可再生能源的開發利用也給予了高度重視，積極引導科研院所和企業進行研究創新。目前全國各地在城市基礎設施建設和美麗鄉村建設中都在積極推動太陽能路燈、風光互補路燈、大型風力發電站等項目實施。

在風光互補路燈和大型風力發電站工作過程中，當在一定風速和功率跟蹤的情況下，風力發電機葉片轉動速率與系統固有頻率接近時會出現安裝支架或路燈燈桿搖晃幅度較大的問題，即系統發生共振［1］，此時系統工作存在很大的風險性。因此，人們主要從系統安裝角度出發尋求解決之道，如通過加大風力發電機安裝基座尺寸和重量、加深安裝基礎深度，都可改善系統工作搖晃的問題。但在風光互補路燈、風力發電戶用系統、小型離并網系統等中小型系統中，從安裝角度考慮減小安裝支架搖晃問題并不是最經濟的方法。

1　控制原理與研究方法

針對上述提出的問題，我們從控制角度出發，讓風力發電機工作過程中的葉片轉速與系統共振頻率接近和相同的時間盡量短，從而避免因系統長時間共振造成的安裝連接器件松動，降低系統故障率，減少安裝支架或燈桿的維護次數，降低風力發電系統后期使用與維護成本。

1.1控制電路

如圖1所示，電路由整流濾波電路、電壓電流數據采樣電路、開關管驅動電路、中央處理器（MCU）、開關與Buck電壓變換電路等主要部分組成。正常工作情況下，風力發電機產生的電能通過整流濾波電路后變為直流電，之后由MCU通過驅動電路控制Buck電路中開關MOSFET管工作實現電壓及最大功率點跟蹤功能，Buck電路輸出端直接連接到蓄電池正、負極給蓄電池充電，通過對MCU編程便能夠實現最大功率點跟蹤和快速通過共振頻率區的目的。

圖1　電路原理圖

1.2控制方式

風力發電系統最大功率點跟蹤（MPPT）方法［2］主要有最優葉尖速比法、功率信號反饋法、爬山搜索法、三點比較法、模糊邏輯搜索法、占空比擾動法。本實驗采用爬山搜索法（也稱擾動觀察法）進行最大功率點跟蹤，以簡化控制電路，降低電路與控制程序的復雜程度，其具體控制方法為：系統上電完成初始化啟動后，便啟動低頻最大功率點跟蹤函數開始搜尋風力發電機最大功率點；隨著風速加大，風力發電機轉速增加，輸出電壓升高，輸出功率變大，當風力發電機功率升高到一特定值（如圖2中危險頻率下臨界點fdL）并且風速繼續增加時，MCU啟動風機轉速快速提升控制程序，此時控制器不再跟蹤風力發電機的最大功率點，而是使用脈寬調制信號控制開關電路的占空比，使得風力發電機葉片轉動速度快速增加至危險頻率控制區上臨界fdH以上，然后MCU啟動高頻最大功率點跟蹤函數進行高轉速時的最大功率點的跟蹤控制。

圖2　風機轉速快速提升控制脈沖

如圖3所示，當風速持續降低，風機功率下降，高速最大功率點跟蹤運算難以維持時，MCU啟動風機轉速快速降低控制程序，使得風機葉片轉速快速降低，從而快速通過系統的危險頻率。當風機轉速低于危險頻率控制區下臨界點后，MCU啟動低頻最大功率點跟蹤函數進行低速時的最大功率點跟蹤控制。

圖3　風機轉速快速降低控制脈沖

1.3實驗方法

實驗設備：300 W垂直軸風力發電機、12 V 100 AH蓄電池、震動傳感器ND-3、示波器MSO1104Z、人工風洞、數字風速儀VC816、控制電路板、20 W LED燈、萬用表。

首先將風力發電機安裝固定穩定，然后將振動傳感器安裝在風力發電機安裝支架上，連接好相關電路并可進行實驗。為準確對比兩種方案的差異性，除控制程序不同外，其他硬件設備均相同。

為避免因蓄電池在充電過程中被充滿而影響控制器判斷，控制器輸出端連接1個20 W的LED燈負載，以保持蓄電池始終處于未充滿狀態。

1.3.1采用普通最大功率跟蹤算法控制

啟動風洞開關，并逐步增加風速，記錄不同風速下風力發電機的相關電氣參數及安裝支架抖動情況。圖4為普通最大功率跟蹤情況下系統發生共振的信號圖。

圖4　普通MPPT風機支架振動波形圖

1.3.2共振規避最大功率跟蹤快速通過危險頻率算法控制

所有外部條件和實驗方式與采用普通最大功率跟蹤算法控制相同，僅控制算法有所不同。

使用振動傳感器和示波器觀察震動情況，采用快速通過危險頻率方式和采用普通最大功率追蹤控制方式的振動波形，如圖5所示。

圖5　共振規避MPPT風機支架振動波形圖

1.3.3對比分析

從測試波形可看出，采用普通最大功率跟蹤算法控制程序時，在經過系統共振頻率時，風力發電機安裝支架振動較為強烈。而采用共振規避最大功率跟蹤快速通過危險頻率算法控制時，風力發電機的安裝支架振動情況比較平穩，無特別明顯的振動波形出現。

2　結論

通過測試波形可知，共振規避最大功率跟蹤快速通過危險頻率算法能夠有效減輕風力發電機葉片旋轉造成的共振問題，從而降低系統故障率，減少后期運營維護成本，在中小系統應用中有較好的適應性和經濟性。但由于其在通過危險頻率期間存在最大功率點跟蹤功能失效的情況，所以在大型風力發電機控制策略上有待進一步研究引入快速通過危險頻率功能所帶來的成本降低和電能損失之間的技術經濟合理性。

［1］ 張永明， 林釣斌， 孫斌， 等. 風力發電機風葉系統的振動測試及研究［J］. 機械制造， 2013， 51（582）: 41-45.

［2］ 程啟明， 程尹曼， 汪明媚， 等. 風力發電系統中最大功率點跟蹤方法的綜述［J］. 華東電力， 2010， 38（9）: 1393-1399.

2015-07-26

楊建國（1986—），男，本科，主要從事風力發電系統、風光互補控制系統、光伏系統應用、自動化控制方面的研究。547362564@qq.com