变速变距风力发电机组的独特特点

3.4.1.1　变速变距风力发电机组控制系统构成

控制系统是风力发电机组安全运行的大脑指挥中心，控制系统的安全运行就是机组安全运行的保证。各类机型中，变速变桨距型风力发电机组控制技术较复杂，其控制系统主要由三部分组成，即主控制器、桨距调节器、功率控制器（转矩控制器），如图3-27所示。典型的模态线性化变速变桨距风力发电机组模型如图3-28所示。

（1）主控制器主要完成机组运行逻辑控制，如偏航、对风、解绕等，并在桨距调节器和功率控制器之间进行协调控制。

（2）桨距调节器主要完成叶片节距调节，控制叶片节距角，在额定风速之下，保持最大风能捕获效率；在额定风速之上，限制功率输出。

（3）功率控制器主要完成变速恒频控制，保证上网电能质量，与电网同压、同频、同相输出，在额定风速之下，在最大升力节距角位置，调节发电机、叶轮转速，保持最佳叶尖速比运行，达到最大风能捕获效率；在额定风速之上配合变桨距机构，最大恒功率输出。小范围内抑制功率波动，由功率控制器驱动变流器完成，大范围内超出额定功率部分由变桨距控制完成。

图3-27　变速变距风力发电机组控制系统构成图

图3-28　典型的模态线性化变速变桨距风力发电机组模型

变速风力发电机组于20世纪的最后几年加入到大型风力发电机组主流机型的行列中。与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于：低风速时能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳，其功率曲线如图3-29所示。因而在更大容量上，变速风力发电机组有可能取代恒速风力发电机组而成为风力发电的主力机型。

变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现。在额定风速以下时，主要是调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比，因此可作为跟踪问题来处理。在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量，使风力发电机组保持在额定值下发电，并使系统失速负荷最小化。可以将风力发电机组作为一个连续的、随机的非线性多变量系统来考虑。采用带输出反馈的线性二次最佳控制技术，根据已知系统的有效模型，设计出满足变速风力发电机组运行要求的控制器。一台变速风力发电机组通常需要两个控制器：一个通过电力电子装置控制发电机的反力矩；另一个通过伺服系统控制桨叶节距。由于风力机可获取的能量随风速的三次方增加，因此在输入量大幅度地、快速地变化时，要求控制增益也随之改变，通常用工业标准PID型控制系统作为风力发电机组的控制器。在变速风力发电机组的研究中，也有采用适应性控制技术的方案，比较成功的是带非线性卡尔曼滤波器的状态空间模型参考适应性控制器的应用。由于适应性控制算法需要在每一步比简单PI控制器多得多的计算工作量，因此用户需要增加额外的设备及开发费用，其实用性仍在进一步探讨中。近年来，由于模糊逻辑控制技术在工业控制领域的巨大成功，基于模糊逻辑控制的智能控制技术也引入变速风力发电机组控制系统的研究并取得了成效。

从本章开始，介绍变速风力发电机组的控制技术与控制策略，力求使读者对变速风力发电机组的控制技术有一个全面的了解。

3.4.1.2　变速风力发电机组的基本特性

1.风力机的特性

风力机的特性通常由一簇功率系数Cp的无因次性能曲线来表示，功率系数是风力机叶尖速比λ的函数，如图3-30所示。

图3-29　变速风力发电机组的功率曲线

图3-30　风力机特性曲线

Cp曲线是桨叶节距角的函数。从图3-30可以看到Cp曲线对桨叶节距角的变化规律：当桨叶节距角逐渐增大时，Cp曲线将显著地缩小，如果保持节距角不变，用一条曲线就能描述出它作为λ的函数的性能和表示从风能中获取的最大功率。图3-31所示为一条典型的Cp曲线。

叶尖速比可以表示为

式中 ωr——风力机风轮角速度，rad/s；

R——叶片半径，m；

v——主导风速，m/s；

vT——叶尖线速度，m/s。

对于恒速风力发电机组，发电机转速的变化只比同步转速高百分之几，但风速的变化范围可以很宽。按式（3-2），叶尖速比可以在很宽范围内变化，因此它只有很小的机会运行在Cpmax点。风力机从风中捕获的机械功率为

图3-31　定桨距风力机的性能曲线

由式（3-3）可见，在风速给定的情况下，风轮获得的功率将取决于功率系数。如果在任何风速下，风力机都能在Cpmax点运行，便可增加其输出功率。根据图3-31，在任何风速下，只要使得风轮的叶尖速比λ=λopt，就可维持风力机在Cpmax下运行。因此，风速变化时，只要调节风轮转速，使其叶尖速度与风速之比保持不变，就可获得最佳的功率系数。图3-32所示为变速风力发电机组进行转速控制的基本目标。

根据图3-31，获得最佳功率系数的条件是

这时，Cp=Cpmax=0.43，从而风能中获取的机械功率为(www.xing528.com)

图3-32　变转速控制

式中 k——常系数。

设vTS为同步转速下的叶尖线速度，即

式中 ns——在发电机同步转速下的风轮转速。

对于任何其他转速nr，有

根据式（3-2）和式（3-4）～式（3-6），可以建立给定风速v与最佳转差率s（最佳转差率是指在该转差率下，发电机转速使得风力机运行在最佳的功率系数Cpmax）的关系式

这样，对于给定风速的相应转差率可由式（3 7）来计算。

但是由于风速测量的不可靠性，很难建立转速与风速之间直接的对应关系。实际上并不是根据风速变化来调整转速的。

为了不用风速控制风力机，可以修改功率表达式，以消除对风速的依赖关系，即按已知的Cpmax和λopt计算Popt。如用转速代替风速，则可以导出功率是转速的函数，立方关系仍然成立，即最佳功率Popt与转速的立方成正比，即

从理论上讲，输出功率是无限的，它是风速立方的函数。但实际上，由于机械强度和其他物理性能的限制，输出功率是有限度的，越过这个限度，风力发电机组的某些部分便不能工作。因此变速风力发电机组受到两个基本限制：①功率限制，所有电路及电力电子器件受功率限制；②转速限制，所有旋转部件的机械强度受转速限制。

2.风力机的转矩转速特性

图3-33所示为风力机在不同风速下的转矩转速特性曲线。由转矩、转速和功率的限制线划出的区域为风力机安全运行区域，即图3-33中由OABC所围的区域。在这个区间中有若干种可能的控制方式。恒速运行的风力机的工作点为直线XY。从图3-33可以看到：恒速风力机只有一个工作点运行在Cpmax曲线上。变速运行的风力机的工作点是由若干条曲线组成，其中在额定风速以下的ab段运行在Cpmax曲线上。a点与b点的转速即为变速运行的转速范围。由于b点已达到转速极限，此后直到最大功率点，转速将保持不变，即bc段为转速恒定区，运行方式与定桨距风力机相同。在c点，功率已达到限制点，当风速继续增加时，风力机将沿着cd线运行以保持最大功率，但必须通过某种控制来降低Cp值，以限制气动力转矩。如果不采用变桨距方法，就只有降低风力机的转速，使桨叶失速程度逐渐加深以限制气动力转矩。从图3-33可以看出，在额定风速以下运行时，变速风力发电机组并没有始终运行在最大Cp线上，而是由两个运行段组成。除了风力发电机组的旋转部件受到机械强度的限制原因以外，还由于在保持最大Cp值时，风轮功率的增加与风速的3次方成正比，需要对风轮转速或桨叶节距作大幅调整才能稳定功率输出，这将给控制系统的设计带来困难。

图3-33　风力机在不同风速下的转矩转速特性曲线

3.4.1.3　变速发电机及其控制方式

变速风力发电机组的基本构成如图3-34所示。为了达到变速控制的要求，变速风力发电机组通常包含变速发电机、整流器、逆变器和变桨距机构。变速发电机目前主要采用双馈异步发电机。在低于额定风速时，通过整流器及逆变器来控制双馈异步发电机的电磁转矩，实现对风力机的转速控制；在高于额定风速时，考虑传动系统对变化负荷的承受能力，一般采用节距调节的方法将多余的能量除去。这时，机组有两个控制环同时工作，内部的发电机转速（电磁转矩）控制环和外部桨叶节距控制环。

图3-34　变速风力发电机组的基本结构

1.双馈异步发电机

交流励磁双馈异步发电机变速恒频原理如图3-35所示。双馈异步发电机由绕线转子感应发电机和在转子电路上带有整流器和直流侧连接的逆变器组成。发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定于输出的功率和通过逆变器从转子输出的功率。风力机的机械速度允许随着风速而变化。通过对发电机的控制使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使其在整个运行速度的范围内均有最佳功率系数。

2.低速永磁同步发电机

用同步发电机发电是今天最普遍的发电方式。然而，同步发电机的转速和电网频率之间是刚性耦合的，如果原动力是风力，那么变化的风速将给发电机输入变化的能量，这不仅给风力机带来高负荷和冲击力，而且不能以优化方式运行。如果在发电机和电网之间使用频率转换器，转速和电网频率之间的耦合问题将得以解决。变频器的使用使风力发电机组可以在不同的速度下运行，并且使发电机内部的转矩得以控制，从而减轻传动系统应力。通过对变频器电流的控制可以实现对发电机转矩的控制，而控制电磁转矩可以控制风力机的转速，使之达到最佳运行状态。

图3-35　交流励磁双馈异步发电机变速恒频原理图

带变频系统的同步发电机结构如图3-36所示，其使用的是凸极转子和笼型阻尼绕组同步发电机。变频器由一个三相二极管整流器、一个平波电抗器和一个三相晶闸管逆变器组成。

图3-36　带变频系统的同步发电机结构

同步发电机和变频系统在风力发电机组中的应用已有实验样机的测试结果，系统在不同转速下运行情况良好。实验表明，通过控制电磁转矩和实现同步发电机的变速运行，减缓在传动系统上的冲击是可以实现的。如果考虑变频系统连接在定子上，同步发电机或许比感应发电机更适用。感应发电机会产生滞后的功率因数且需要进行补偿，而同步发电机可以通过控制励磁来调节它的功率因数，使功率因数达到1。所以在相同的条件下，同步发电机的调速范围比异步发电机更宽。异步发电机要靠加大转差率才能提高转矩，而同步发电机只要加大功角就能提高转矩。因此，同步发电机比异步发电机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的响应。