风力发电技术与功率控制策略研究王志新 风力发电技术与功率控制策略研究 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｗｉｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ 互志新 华琵 （上海交通大学电气工程系，上海２００２４０） 摘要：对风力发电技术进行综述，分析研究了变速恒频双馈风力发电机组实现风能最大捕获的功率控制策略，即当风速在切入风 速和额定风速之间时，控制发电机转子励磁电流及频率，追踪最佳功率曲线；在额定风速和切出风速之间时，调节风力机叶片桨距角， 保持额定功率不变。研究表明，基于风速的功率控制方法，提高了风力发电机组风能利用效率；同时，基于风向标和输出功率的偏航 控制策略，能缩短风力机对风时间，提高风力机对风精度和使用寿命。 关键词：风力发电变流器最大能量追踪双馈风力发电机直驱风力发电机变桨控制偏航控制 中图分类号：ＴＰ１１；ＴＨ７０１ 文献标志码：Ａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ｍａｘｉｍｎｍ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｙｇ ｉｎ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈａｔ ｍｅａｎｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｏ ｔｒａｃｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｏｗｅｒ ｃｕｒｖｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｒａｔｅｄ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｃｕｔ—ｏｕｔ ｓｐｅｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｕｔ—ｉｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｒａｔｅｄ ｓｐｅｅｄ； ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ ｔｏ ｋｅｅｐ ｒａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｉｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ；ａｎｄ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｖａｎｅ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｂａｓｅｄ ｙａｗｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｓｈｏｒｔｅｎｅｄ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｉｍｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｉｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｙｇ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｍａｘｉｍｕｍ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｄｉｒｅｃｔ—ｄｒｉｖｅｎ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｙａｗｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏ 引言 速变桨距风机的复杂性，如控制算法、高阶、耦合、强非 线性特征等，使得常规的控制方法就不太适合了。根据 相比化石能源和核电，风能是一种开发成本较低、 风速的不同，风力发电系统由启动、变速运行、变桨距运 清浩环境、安全、可再生的能源形式，目前越来越受到重 行、刹车四个动态过程构成。启动和刹车过程的主要控 视。最始 兹理论，风力机从风中吸收的能量不到空气 制目标是使系统能在最短时间内有较快响应速度；变速 功 昀５９．３％，但由于受到机械结构等，实际上该 控制的主要控制目标是调节风能、减少或消除风能产生 值要更小。因此，如何才能够提高转化效率、获取更多 过程中的急剧波动，捕获最大能量、减弱暂态负荷的影 风能，实现风能规模化利用，一直为学者及业界所关注。 响；变桨距控制的主要控制目标是通过调节桨距角来维 近年来，大型风电机组采用了变速变桨距控制技术，旨 持风机输出额定功率不变。 在提高响应速度、获得最大能量（低风速时捕获最大功 风力发电正成为各国争相发展的新兴能源。随着 率、高风速时捕获额定功率）。但是，风能转换系统由于 石化能源的日益枯竭，风能资源以其蕴量巨大、可以再 一些不确定因素的存在表现出强非线性特征，风机产生 生、分布广泛、没有污染等优点在世界各国迅速发展。 的能量随着风速和风向的连续波动而快速变化。此外， 世界上第１台用于发电的风力机于１８９１年在丹麦建成， 能源系统要求满足电能质量和可靠性指标，一般传统线 但由于技术和经济等方面原因，风力发电一直未能成为 性定常控制器会引起超调和损失系统的稳定性，大型变 电网中的电源；直到１９７３年，石油危机，美国、西欧等发达 国家为寻求替代化石燃料的能源，投量经费，用新技 中国博士后基金（编号：２００５０３８４３５）； 术研制现代风力发电机组；２０世纪８ｏ年代开始建立示范 上海市博士后基金（编号：０８Ｒ２１４１３４）； 教育部留学回国科研基金（编号：２００７１１０８）； 风电场，成为电网新电源；１９９２年以来，全球风电累计装 上海市白玉兰科技人才基金（编号：２Ｏ０７Ｂ０７３）。 机容量的年增长率一直高于１５％，风电技术日臻成熟。 修改稿收到日期：２ｏｏ８一ｏ６一ｌ６。 世界风电发展目标为：到２０１０年和２Ｏ２Ｏ年风电装机容量 第一作者王志新，男，１９６４年生，１９９４年毕业于浙江大学机械电子工 程专业，获博士学位，教授；主要从事风力发电控制及光伏发电、风光互 分别达到８．０ ｘ １０ Ｗ和１．８ ｘ １０”Ｗ，发电量分别达到 补技术应用的研究。 １．９４ ｘ １０“ｋ ｉ，ｈ和４．３ ｘ １０“ｋ 。２Ｏ２Ｏ年风电的装机容量 《自动化仪表》第２９卷第ｌｌ期２００８年ｌ１月 １ 风力发电技术与功率控制策略研究王志新 变桨距优于定桨距在于机组起动性能好、输出功 率稳定、机组结构受力载荷小，另外，在风速高于切出 和发电量均要超过水电和核电，成为第二大发电电源。我 国风能资源丰富，可开发利用的风资源１．０ Ｘ １０ Ｗ，其中 陆上２．５×１０ Ｗ，己制定了风电发展目标：２０１０年建成 ５．０ Ｘ １０ Ｗ，２Ｏ２０年建成３．０ Ｘ １０…Ｗ，到２Ｏ０６年底，我国 风电装机已累计达到了２．６×１０９ Ｗ，２００７年我国风电装 机容量己经超过５．０ Ｘ １０ Ｗ，结合我国实际，我国风电装 机２０１０和２Ｏ２０年分别达到１．０ Ｘ１０ Ｗ和８．０ Ｘ１０…Ｗ是 完全有可能的。如果有关能进一步调整完善，落到实 处，２０２０年有希望达到１．０×１０ Ｗ～１．２ Ｘ １０ Ｗ。 风速时，还可通过桨叶顺桨，保护风机不受到损坏以增 加风机的使用寿命。但不足之处在于因增加了变桨装 置，故障概率加大，控制程序比较复杂。 １．４有齿轮箱向无齿轮箱（直驱式）发展 无齿轮箱直驱式永磁风力发电机取消了工作要求 高、加Ｔ难度大、沉重的增速齿轮箱，发电机轴直接连 接到叶轮轴 ，转子的转速随风速而改变，输出交流电 的频率也随之变化，需要经过大功率电力电子变换器， 将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变输出与电 网同频率的交流电，具有系统效率高、可靠的特点。国 际先进的无齿轮箱直驱风力发电机，其原理多沿用低 速多极永磁发电机，并使用一台全功率变频器将频率 变化的风电送入电网。直接驱动式风力发电机组由于 １风力发电技术发展态势 １．１小容量向大容量发展 风电机组单机容量大型化趋势 一 ，目前主流机型 都在１ ＭＷ以上，单机容量最大达到５ ＭＷ，美国已经研 制成功７ ＭＷ风力发电机，而英国正在研制１０ ＭＷ的巨 型风力发电机。预言到２０２０年，将会有２０ ＭＷ、３０ ＭＷ 乃至４０ ＭＷ的风力发电机面世，风力发电机的制造将 没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多， 有效地提高了系统的效率以及运行的可靠性，使得无 齿轮箱系统的市场份额迅速扩大。 永磁电机相对于电励磁电机具有效率高、能量密 度大和可靠性高等特点，再结合永磁材料性能不断在 由制造机器转变为建造发电站。 １．２陆上风电向海上风电发展 海上风力发电与陆地上的风力发电机理大致相 同，但将风电场建在海上，不仅解决了占用陆地土地资 源的问题，同时，利用海上得天独厚的广阔空间和丰富 的风力资源（为陆上的三倍），可以进行批量、规模化 生产，从而降低风力发电的成本。许多国家都制订了 大规模开发利用海上风能计划。如，２００２年欧盟提出 的目标是：到２０１０年风力发电装机达到４．０ Ｘ １０…Ｗ， 其中海上风力发电达到５．０ Ｘ １０ Ｗ；２０２０年风力发电 装机达到１．５ Ｘ １０“Ｗ，其中海上风力发电达到５．０ Ｘ ｌ０ Ｗ；要求风力发电装机占整个欧盟发电装机的 １５％以上。我国海上风电发展正起步，上海正在建设 的东海大桥１．０×１０ Ｗ近海风电场项目，为国内首个 大型海上风电场，整个工程计划在２０１０年完成（２５个 月），采用３ ＭＷ风电机组。至２０２０年，上海规划建成 ５座海上风电场，装机１．１ Ｘ １０ Ｗ。此外，我国还规划 提高、价格却处于下降趋势，以及全功率器件价格不断 下降，使得开发基于全功率变换器的可变速直接驱动 永磁风力发电机越来越具有吸引力。考虑到单位造价 或者总重量的年产出能力，业界也采用一级增速齿轮 箱（半直驱）的变速永磁风力发电机（如，Ｍｕｈｉｂｒｉｄ ５ ＭＷ，ＷｉｎＷｉｎｄ ３ ＭＷ永磁同步风力发电机），以及多 级齿轮增速箱的永磁同步风力发电机（如，ＧＥ Ｗｉｎｄ ２ ＭＷ，Ｚｅｐｈｙｒｏｓ ２ ＭＷ永磁同步风力发电机）。 １．５结构设计向紧凑、柔性、轻盈化、高可靠性发展 尽管风电机组技术近年来有了长足的进步，但是 从技术商业化程度看，风电机组寿命较短，难以保证技 术使用寿命达到２０年。因而有必要改进机构设计及 相关部件，提高转子可靠性，通过风机系统的优化设 计、选用更好的材料、部件、可变速转子、先进的控制装 在浙江慈溪、临海、岱山以及江苏盐城、山东青岛建设 近海风电场，累计装机超过２．０×１０ Ｗ。 １．３定桨矩向变桨、变速恒频发展 置来实现。这些改进不仅可以减轻负荷，而且还可以 减少风机的重量和不同部件的费用。 变速运行与恒速运行的风力发电机组相比，可以 按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时 地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，具有 ２风力发电系统结构 ２．１定速风力发电系统 这种风力发电系统曾经被丹麦制造商在１９８０年 代至１９９０年代广泛采用 。我国６００ ｋＷ、７５０ ｋＷ 风电机组也都采用这种发电系统。 该系统采用双速感应发电机，其中，小功率低速感 应发电机工作在低风速区，大功率高速感应发电机工 减少机组机械应力、增加风能捕获、对风速变化的适应 性好、生产成本低、效率高等优点。德国的Ｅｎｅｒｃｏｎ公 司、丹麦的Ｖｅｓｔａｓ公司生产的变速风电机组数量处于 世界领先位置。 ２ ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩｏＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩｏＮ Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２Ｏ０８ 风力发电技术与功率控制策略研究王志新 作在高风速区。当风速超过额定风速时，通过叶片的 失速来降低其风能利用系数，从而维持功率恒定。由 于风力机转速不能随风速经常变化，其风能利用系数 扩大。 ２．２．３全功率变换器无增速齿轮箱风力发电系统 取消了增速齿轮箱，发电机为同步发电机、永磁发 电机，并设计成多极电机形式。直接驱动永磁发电机 往往偏离最大值，对风能的利用率不高，风力机常常运 行在低效率状态。 ２．２变速风力发电系统 ． 具有传动系统简单、效率高及控制鲁棒性好的特点，已 有商业化多极永磁风力发电机系统厂商，如Ｅｎｅｒｃｏｎ、 ＷｉｎＷｉｎｄ。 ２．２．１ 双馈感应发电机风力发电系统 图１所示为双馈感应风力发电系统，双馈感应发 电机的定子直接和电网连接，绕线转子则通过滑环与 ２．２．４风力发电系统并网控制与变换器 定速风力发电系统并网过渡过程，采用晶闸管软 变换器相连接。其中，变换器用于控制转子绕组电流， 调节发电机输出功率和转矩。也有采取在转子回路外 接电阻的方法，如丹麦Ｖｅｓｔａｓ的ＯｐｔｉＳｌｉｐ就采用该方 法实现变速控制。 图１ 双馈型变速变桨距风电机组 Ｆｉｇ．１ Ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｐｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｅｔ ｏｆ ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ 双馈感应发电机工作在一个有限的变速范围，该 范围与变换器设计有关，变换器容量为发电机额定功 率的２０％～３０％，具有相当大的价格优势，变速范围 相对于转子外接电阻的ＯｐｔｉＳｌｉｐ更大。但是，风力发 电机要求电网发生故障时能够实现低电压穿越，而双 馈感应发电机系统会产生很大的电流峰值，为了保证 系统安全运行，需要采用先进的保护系统。 为获得风能的最大转换效率，目前普遍采用变速 恒频矢量控制技术，其主要优点在于通过调节发电机 转子电流的大小、频率和相位，从而实现转速的调节， 可在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速 比，进而实现追求风能最大转换效率；同时，又可以采 用一定的控制策略，灵活调节系统的有功、无功功率， 抑制谐波，减少损耗，提高系统效率。 ２．２．２全功率变换器有增速齿轮箱风力发电系统 全功率变换器有增速齿轮箱风力发电系统采用全 功率变换器实现全范围内变速，发电机可以是感应发 电机、同步发电机、永磁发电机，通过增速齿轮箱与风 力机连接，发电机再通过变换器与电网连接。 针对电网发生故障要求风力发电机能够实现低电 压穿越，全功率变换器的风力发电系统容易实现，同 时，具有良好的控制性能、可实现多重控制目标，如电 压稳定控制、无功等综合控制，使其应用范围得以 《自动化仪表》第２９卷第ｌｌ期２００８年ｌ１月 切人，过渡过程结束后，立即切除变换器，该变换器并 非整个系统的核心。 变速风力发电系统，变换器需要完成在变风速条 件下，将风力机输出的频率随风速变化的交流电转换 为与电网电压、频率相同、与电网实现柔性连接的交流 电，控制、调节风力机以获取最大风能。 交一交变换器变流效率高，且可以四象限运行，功 率可快速双向流动，但采取相控方式，输出电压含大量 谐波，尤其是低频时谐波含量大、功率因数低。矩阵式 交一交变换器采用全控器件和先进控制手段，使得输 出电压灵活可控、低频谐波含量大大减小、输入电流保 持正弦等。 交一直一交电压型变换器采用二极管不可控整流， 输入电流畸变、谐波增大、输人功率因数低，且能量无法 双向流动。采用交一直一交电压型双ＰＷＭ变换器，两 电平电压型双ＰＷＭ变换器主电路拓扑方案非常成熟， 可以将风力发电系统的谐波含量控制得非常低，且可以 调节功率因数。同时，通过ＰＷＭ控制，易于实现变换器 四象限运行，电路设计及控制系统设计均较矩阵式变换 器简单，因此，目前得以大量采用。 ３风力发电机组功率控制技术 ３．１风力机变桨距控制 风力发电机组根据风轮叶片与轮毂的安装结构可 分为定桨距和变桨距风力发电机两大类 。其中， 定桨距风力发电机的叶片固定安装在轮毂之上，风速变 化时，桨叶安装角不会发生变化。定桨距风力发电机需 要解决两个问题：①风速高于额定风速时桨叶能自动调 节功率，使其在额定值附近；②运行中的风力发电 机在需紧急停机时具备制动的性能，以确保风力发电机 组能够快速安全停机。２０世纪８０年代，叶尖扰流器成 功应用于定桨距风力发电机组后，实现了风力发电机组 的功率调节和气动力制动功能，再加上定桨距本身所固 有的结构简单、性能可靠等优点，被普遍采用。 随着硬件设备和控制理论的发展，一直制约着变 ３ 风力发电技术与功率控制策略研究王志新 桨距风力发电机发展的可靠性问题渐渐被克服，变桨 器）。双馈发电机可以在不同的风速下运行，其转速 可以随风速的变化作相应调整，使风力机的运行始终 处于最佳状态，提高了风能的利用率。同时，通过控制 馈人转子绕组的电流参数，不仅可以保持定子输出的 电压和频率不变，还可以调节电网的功率因数，提高系 统的稳定性。 距控制技术重新得到重视。变桨距风力发电机的叶片 与轮毂之间采用非刚性联结方式，允许叶片可以绕叶 片纵梁进行节距调节，使得叶片相对于风向有不同的 功角。当风速持续变化时，叶片的功角始终保持在最 佳角度，从而使风力发电机组有可能在不同风速下始 终保持其风轮的最佳转换效率，使输出功率最大。当 风速大于切出风速时，风力机停止＝＝ｒ 作，桨叶顺桨以保 护风力机不受到损坏。变桨距风力发电机与定桨距风 力发电机相比具有在额定风速点以上输出功率平稳特 点，同时，变桨距风力发电机的叶片较薄．结构简单、重 量小，使得发电机转动惯量小，易于制造大型发电机 组。因此，大型风力发电机组采用变桨距技术。 传统的变桨距方式主要有电液伺服和电气伺服两 种形式。出于动态转矩的目的，需要变桨距 机构的输出节距角变化值，一般为５～１２。／ｓ。对于大 型风力发电机组，叶片改变节距角时所需的驱动力相 ４基于风速的功率控制方法 ４．１基本原理 基于风速的风力机输出功率控制方法 ，当 风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用变速控 制方法，追踪最佳功率曲线，获得最大功率；当风速在 额定风速和切出风速之间变化时，采用变桨距控制方 法，调节桨叶桨距角的变化，保持额定功率不变。该 方法的特点为能根据风速的大小选用不同的控制方 法，实现风力机最大功率的输出，提高了发电机组风 能利用效率，同时保证了风力机运行的稳定性和可靠 性。 ４．２控制流程 对比较大，且对变桨距机构的强度和定位精度都有较 高的要求。 ３．２风力机偏航控制 变桨控制算法控制流程如图２所示，其中： 为 风速；Ｐ为功率；Ｐ 为功率给定值；ｈ为尖速比；Ａ ．为 最优尖速比； 为风轮角速度； 为风轮角速度给定 偏航控制系统是风力发电机组控制系统的重要 组成部分。偏航系统一般由偏航轴承、偏航驱动装 置、偏航制动器、偏航计数器、扭缆保护装置、偏航液 压回路等组成，主要作用是与风电机组的控制系统相 值；ｎ为齿轮箱传动比；Ｒ为风轮半径；Ｊ８为桨距角； Ｃ 为风能系数。 并网，初始化，、 ｌ＝０，判定风速Ｊｆ 、 互配合，使风轮始终处于迎风状态，提高风电机组的 发电效率；保障风电机组的安全运行。风力发电系统 的偏航控制系统主要分为两大类：被动迎风偏航系统 和主动迎风系统。前者多用于小型的风力发电 系统，由尾舵控制，风向改变时，被动对风；后者则多 用于大型并网型风力发电系统，由位于下风向的风向 标发出的信号进行主动对风控制。由于自然界风的 方向总在变化，因此，必须不断转动机舱使得风轮始 终正面受风，增大风能的捕获率。但由于风向仪的精 液压变桨距机构ｌｌ捕获最优功率 ｌ否 ～．ｔ＋ 桨距角 尘 ／ ＜ ｒ 齿轮箱 ∞＝ ＩＲ 晟佳风能系数Ｇ＝ ０） 度及位于下风向等问题，不能做到１００％对风，这不 但降低了风能最大捕获率，同时使得对称的风电机组 桨叶运行时受力不均，导致机组的振动与叶片的疲 劳。因此，如何提高对风精度值得关注，需要进行更 深入的理论研究，提出更有效的控制策略与算法，提 风力机刹车机构 二＝ｃ风能系数 笙室 ） Ｉ风力机切出电网Ｉ 捕获额定功率 图２ 变桨控制算法流程图 Ｆｉｇ．２ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｐｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 高对风精度。 ３．３风力发电机控制 变桨控制具体实施流程如下： ①风力发电机组并网后，初始化控制系统，桨距 角 ＝０，并判断风速大小； ②当风速小于切入风速，风力机不动作； ③当风速在切人风速和额定风速之间变化时，进行 变速控制，根据转速传感器测得的转速信号，由ＤＳＰ控制 目前，大型风力发电机组多数采用双馈异步风力 发电机。如图ｌ所示，双馈发电机的定子绕组接ｌ丁频 电网，转子绕组由具有可调节频率、相位、幅值和相序 的三相电源激励，一般采用交一直一交变流器（变换 ４ ＰＲｏＣＥＳＳ ＡＵＴｏＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩｏＮ Ｖ０１．２９ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２Ｏ０８ 风力发电技术与功率控制策略研究王志新 器发出驱动信号，通过齿轮箱调节发电机转速ｔｏ，并和给 定值 相比较构成一个闭环反馈自动控制系统，追踪最 佳功率曲线变化，获得最佳风能系数ｃ 一～：Ｃ （Ａ ，０）， １ 则返回初始位置，结束偏航控制； ③当风向 变化绝对值≤１５。时，则根据功率 变化值进行判断，若△Ｐ．≤△Ｐ ，则返回初始位置，不 进行偏航控制，反之，偏航电机逆时针旋转５。后，若 从而捕获最大功率Ｐｆ＝ 二 （Ａ。 ０）ａ ； 风向 变化绝对值≤１５。，则进人Ｂ部分判断功率变 化； ④当风速大于额定风速、小于切出风速，变速控 制器停止工作，变桨距控制器开始工作，根据功率传感 器测得的功率信号Ｐ和功率给定值Ｐ 相比较，由ＤＳＰ ④若△户．一△Ｐ２≤０成立，说明偏航方向正确，仍 旧在原偏转方向采用功率控制方法进行偏航控制，根 控制器发出驱动信号，使得液压变桨距机构动作调节 桨叶桨距角的变化，获得变化的Ｃ （Ａ， ），构成一个 闭环反馈自动控制系统，保持额定功率不变； ⑤当风速大于切出风速，风力机液压刹车机构开 始动作，风力机停止工作，风电机组切出电网。 ５基于风向标和输出功率的偏航控制策略 ５．１基本原理 基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方 法 。 ，在风向变化绝对值＞１５。时，采用风向标控制 方法；在风向变化绝对值≤１５。时，则采用功率控制方 法，因风向、风速变化会引起发电机输出功率变化，功 率检测仪测得发电机输出功率，只有在风向变化时才 进行偏航控制，风速变化对功率控制方法仅仅视作干 扰信号。其中，功率控制方法又分为逆时针旋转、顺时 针旋转和原位停止三种工况。该方法能缩短风力机对 风时间，提高风力机对风精度、发电机组风能利用效 率，延长风力机使用寿命。 ５．２控制策略 图３所示为偏航控制流程图。图３中： 为风向； Ｐ 为功率给定值；Ｐ： 为功率给定最大值；Ｐ为中间变 量；Ｐ 为检测得到的瞬时功率反馈值；△Ｐ 为风速或风 向变化时的功率变化值，△Ｐ。＝ＪＰ ～Ｐ；△Ｐ 为风速或 风向变化时的功率变化值，△尸，＝Ｐ 一Ｐ；ＡＰ 为功率 差值给定值；Ａ为赋值给△Ｐ 的某常量值，０为偏航电 机旋转角度。偏航控制具体实施流程如下： ①风力发电机组并网后，初始化偏航控制系统并 判断风向； ②当风向 变化绝对值＞１５。，直接跳转至Ａ部 分进行风向标控制，通过ＤＳＰ控制器启动偏航电机， 由偏航电机带动同轴联接的减速齿轮，并通过减速大 齿轮带动机舱与塔架之间的回转支承带动机舱旋转， 进行对风，一直到风向 变化绝对值≤１５。时，偏航电 机在原方向上继续旋转５。后再偏航３。便进行功率控 制；根据△Ｐ．进行判断，若△Ｐ，的变化值大于功率差 值给定值△Ｐ ，则继续在原方向进行偏航控制，反之， 《自动化仪表》第２９卷第ｌｌ期２００８年１１月 据ＡＰ 进行判断，若△Ｐ，大于△尸 ，继续在原方向进 行偏航控制，反之，则返回初始位置，结束偏航控制；若 ＡＰ 一△Ｐ，≤０不成立则进入ｃ部分，偏航电机顺时针 旋转５。，再根据功率变化值情况进行判断； ⑤若△Ｐ 一△ ＞０成立，说明功率变化是风速 变化引起的，偏航电机不再旋转，由ｃ部分直接经Ｄ 部分返回初始位置，不进行偏航控制，否则，进行功率 控制，根据△Ｐ 进行判断，若△Ｐ 的变化值大于△Ｐ ， 则继续在原方向进行偏航控制，反之，则返回初始位 置，结束偏航控制。 图３偏航控制算法流程图 Ｆｉｇ．３ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｙａｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ６结束语 风能利用发展势头强劲，风力发电技术Ｅｔ渐成熟、 发电成本不断下降，风力发电机组单机容量不断增长， 风电场正从陆地向近海发展，以更加充分利用风能资 ５ 风力发电技术与功率控制策略研究王志新 阳能学报，１９９７，１８（４）：３９０—３９４． 源。迫切需要解决风能规模化、低成本利用中涉及大 功率风电机组与近海风能利用的关键技术，实现风能 ［１３］林勇刚，李伟，叶杭冶．变速恒频风力机组变桨距控制系统［Ｊ］． 农业机械学报，２００４，３５（４）：１１０—１１４． 利用的高效率和高可靠性。风能，尤其是近海风能利 用潜力极大，将成为以火电占主导的能源结构的重要 补充。风能规模化利用旨在针对风力资源非稳定性、 ［１４］ｗｕ Ｌ，ＷＡＮＧ Ｚ Ｘ．Ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｄｏｕｂｌｙ ｆｅｄ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｅｔｉｆｎｅ［Ｊ］．ＷＳＥＡＳ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ０ｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ， ２００６（２）：１２一ｌ６． 不可控性、不可储存性和时空分布性等特点，结合科学 试验，揭示风能捕获、转换的规律及作用机理，提高风 力运行可靠性和可维护性，实现风能规模化利用中转 ［１５］伍小杰，柴建云，王祥珩．变速恒频双馈风力发电系统交流励 磁综述 Ｊ］．电力系统自动化，２００４，２８（２３）：９２—９６． ［１６］黄科元，贺益康，卞松江．矩阵式变换器交流励磁的变速恒频风 力发电系统研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００２，２２（１１）：１００— １０５． 换的高效、安全和可靠。 变速恒频双馈风力发电机组基于风速实现风能 最大捕获的功率控制策略，当风速在切人风速和额 定风速之问时，控制发电机转子励磁电流及频率，追 踪最佳功率曲线；在额定风速和切出风速之间时，调 节风力机叶片桨距角，保持额定功率不变。研究表 明，基于风速的功率控制方法，提高了风力发电机组 ｆｌ７］ＫＥＮＤＡＬＬ Ｌ，ＢＡＬＡＳ Ｍ Ｊ，ＬＥＥ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｐｏｒ－ ｔｉｏｎａｌ・ｉｎｔｅｇｒａｌ ａｎｄ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｉｔｃｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ａｘｉｓ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ｊ］．Ｗｉｎｄ Ｅｎｇｉ— ｎｅｅｒｉｎｇ，１９９７，２１（１）：２１—３８． ［１８］ＣＡＲＤＥＮＡＳＤ，ＡＳＨＥＲ Ｒ．Ｐｏｗｅｒ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｕｓｉｎｇ ｐｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ａ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｏｒｑｕｅ ｏｂｓｅｒｖｅｒ［Ｊ］． Ｗｉｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９６，２０（６）：３６３—３８７． 风能利用效率，保证了风力机运行的稳定性和可靠 性；同时，基于风向标和输出功率的偏航控制策略， 能缩短风力机对风时间，提高风力机对风精度和使 用寿命。 参考文献 ［１］王志新，王承民，蒋传文，等．近海风电场关键技术【Ｊ］．华东电 力，２００７，３５（２）：３７—４０． ［１９］ＴＨＩＲＩＮＧＥＲ Ｔ，ＬＩＮＤＥＲＳ Ｊ．Ｃｏｎｔｒｏｌ ｂｙ ｖａｒｉａｂｌｅ ｒｏｔｕｒ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ａ ｉｆｘｅｄ－ｐｉｔｃｈ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｓｐｅｅｄ ｒａｎｇｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，１９９２，８（３）：５２０—５２６． ［２０］ＨＡＮＳＥＮ Ａ，ＳＯＲＥＮＳＥＮ Ｐ，ＬＯＶ Ｆ．Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｖａｒｉａｔ）ｌｅ ｓｐｅｅｄ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｗｉｎｄ Ｅｎ－ ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４，２８（４）：４１ｌ一４３２． ［２］王承煦，张源．风力发电［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００２． ［３］叶杭冶．风力发电机组的控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出版 社．２００２． ［２１］ＮＥＲＩＳ Ａ，ＶＯＶＯＳ Ｎ，ＧＩＡＮＮＡＫＯ Ｐ．Ａ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒ一 ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｔｏ ｗｅａｋ ＡＣ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，１９９９，１４（１）：１２２—１２７． ［４］王志新，李响，艾芊，等．海上风电柔性直流输电及变流器技术 研究［Ｊ］．电力学报，２００７，２２（４）：４１３－４１７，４２３． ［２２］ＹＡＭＡＭＯＴＯ Ｍ，ＭＯＴＯＹＯＳＨＩ Ｏ．Ａｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｆｏｒ ｄｏｕｂｌｙ—ｅｄ ｗｏｕｎｄ ｒｏｔｆｏｒ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｌ９９１，６（４）：６２４—６２９． ［５］ＡＳＰＬＵＮＤ Ｇ．ＨＶＤＣ Ｌｉｇｈｔ—ＤＣ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＡＢＢ Ｒｅｖｉｅｗ，１９９８（１）：４—９． ［６］ＢＲＡＤ Ｂ，ＭＡＲＩＡＮ Ｋ．Ｖｏｌｔｇｅ ｌａｏｏｐ ｏｆ ｂｏｏｓｔ ＰＷＭ ＤＣ－ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔ— ［２３］ＴＡＮＧ Ｙ Ｆ，ＸＵ Ｉ Ｙ．Ａ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｙｇ ｏｆｒ ａ ｖａｉｒａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｉｌ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９５，１（４）：４７２—４７８． ｅｒｓ ｗｉｔｈ ｐｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｉｒ－ ｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ一１：Ｒｅｇｕｌａｒ Ｐａｐｅｒｓ，２００６，５３（１）． ［２４］ＤＡＴＦＡ Ｒ，ＲＡＮＧＮＡＴＨＡＮ Ｖ Ｔ．Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｏｉｎｔｓｐ ｆｏｒ ａ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｄ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００３，１８（１）：１６３—１６８． ［７］ＭＡＯ ＨＣ，ＤＵ ＳＢ，Ｆｒｅｄ Ｃ．Ｎｏｖｅｌ ｒｅｄｕｃｅｄ—ｏｒｄｅｒ ｓｍａｌｌ ｓｉｇｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｓｉｎ ａｎｄ ｇｓｙｓｔｅｍ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９８，１３（３）： ５ｌ】一５２１． ［２５］肖劲松．风力机组偏航系统的建模及仿真［Ｊ］．太阳能学报， １９９７，１８（３）：２５２—２６１． 【８］ｗｕ Ｒ，ＤＥＷＡＮ Ｓ Ｂ，ＳＬＥＭＯＮ Ｇ Ｒ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｎ ＡＣ ｔｏ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ＰＭＷ ｗｉｔｈ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｃｏｎ－ ［２６］ＦＡＲＲＥＴ Ｆ Ａ，ＰＦＩＴＳＣＨＥＲ Ｌ Ｌ，ＢＥＲＮＡＲＤＯＮ Ｄ Ｐ．Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ａｃｔｉｖｅ ｙａｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ［ｃ］．Ｔｈｅ ２７ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒ－ ｅｎｃｅ ｏｆｔｈｅ ＩＥＥＥ，２００１（１）：１３７０一ｌ３７５． ｔｍｌ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｉｎｄ Ａｐｐｌ，１９９１（２７）：３５５—３６４． ［９］林成武，王凤翔，姚兴佳．变速恒频双馈风力发电机励磁控制技 ［２７］孔屹刚，王志新．大型风电机组模糊滑模鲁棒控制器设计与仿 真［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，２８（１４）：１３６—１４１． 术研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００３，２３（１１）：１２２—１２５． ［１Ｏ］李晶，王伟胜，宋家弊．变速恒频风力发电机组的建模与仿 真［Ｊ］．电网技术，２００３，２７（９）：１４—１７ ［２８］戴资，王志新，朱亦帆．变速恒频风力机桨叶电液比例控制系统 研究［Ｊ］．机电一体化，２００６，１２（１）：ｌ６—２Ｏ． ［１１］ＳＩＭＯＥＳ Ｍ Ｇ，ＢＯＳＥ Ｂ Ｋ，ＳＰＩＥＧＥＬ Ｒ Ｊ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｆｕｚｚｙ－ｌｏｇｉｃ・・ｂａｓｅｄ ｖａｒｉａｂｌｅ・・ｓｐｅｅｄ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓ— ［２９］李晓燕，王志新．风力机偏航控制策略及系统设计［Ｊ］．微计算 机信息，２００７（２５）：１—３． ［３Ｏ］ＰＩＡＯ Ｈ Ｇ，ＷＡＮＧ Ｚ Ｘ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏ— ｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｙａｗｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｐｓｅａｄ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＤＲＰＴ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００８． ｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，１９９７，３３（４）： ９５６—９６５． ［１２］包能胜，陈庆新，姜桐．柔性风力机系统模型参数辨识［Ｊ］．太 ６ ＰＲｏＣＥＳＳ ＡＵＴ０ＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００８
