变速机组控制策略优化

3.4.2.1　变速风力发电机组的运行区域

变速机型与恒速机型相比，优越性在于：低风速时，它能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比，以获得最大风能利用系数；高风速时，利用风轮转速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。与变桨距风力发电机组类似，变速风力发电机组的运行根据不同的风况可分为三个不同阶段。

第一阶段：启动阶段，发电机转速从静止上升到切入速度。对于目前大多数风力发电机组来说，风力发电机组的启动只要当作用在风轮上的风速达到启动风速便可实现（发电机被用作电动机来启动风轮并加速到切入速度的情况例外）。在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风力作用下作机械转动，因而并不涉及发电机变速的控制，对该阶段不作讨论。

第二阶段：风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的阶段，是风力发电机组开始获得能量并转换成电能的阶段。这一阶段决定了变速风力发电机组的运行方式。从理论上说，根据风速的变化，风轮可在限定的任何转速下运行，以便最大限度地获取能量，但由于受到运行转速的限制，不得不将该阶段分成两个运行区域，即变速运行区域（Cp恒定区）和恒速运行区域。为了使风轮能在Cp恒定区运行，必须设计一种变速发电机，其转速能够被控制以跟踪风速的变化。

第三阶段：功率恒定阶段。在更高的风速下，风力发电机组的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持在限定值以下，这个限制就确定了变速风力发电机组的第三运行阶段，该阶段称为功率恒定阶段。对于定速风力发电机组，风速增大，能量转换效率反而降低，而从风力中可获得的能量与风速的三次方成正比，这样对变速风力发电机组来说，有很大的余地可以提高能量的获取。例如，利用第三阶段的大风速波动特点，将风力机转速充分地控制在高速状态，并适时地将动能转换成电能。

图3-37所示为典型风力发电机组的等值线图。从图3-37上可以看出变速风力发电机组的控制途径。在低风速段，按恒定Cp（或恒定叶尖速比）途径控制风力发电机组，直到转速达到极限，然后按恒定转速控制机组，直到功率达到最大，最后按恒定功率控制机组。

从图3-37还可以看出风轮转速随风速的变化情况。在Cp恒定区，转速随风速呈线性变化，斜率与λopt成正比。转速达到极限后，便保持不变。转速随风速增大而减少时功率恒定区开始，转速与风速呈线性关系，因为在该区域λ与Cp呈线性关系。为使功率保持恒定，Cp必须设置为与1/v3成正比的函数。

图3-37　典型风力发电机组的等值线图

3.4.2.2　理想情况下总的控制策略

根据变速风力发电机组在不同区域的运行，将基本控制策略确定为：低于额定风速时，跟踪Ppmax曲线，以获得最大能量；高于额定风速时，跟踪Cpmax曲线，并保持输出稳定。

为了便于理解，先假定变速风力发电机组的桨叶节距角是恒定的。当风速达到启动风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切入的转速，Cp值不断上升，风力发电机组开始发电。通过对发电机转速进行控制，风力发电机组逐渐进入Cp恒定区（Cp=Cpmax），这时机组在最佳状态下运行。随着风速增大，转速亦增大，最终达到一个容许的最大值，这时，只要功率低于允许的最大功率，转速便保持恒定。在转速恒定区，随着风速的增大，Cp值减少，但功率仍然增大。达到功率极限后，机组进入功率恒定区，这时随风速的增大，转速必须降低，使叶尖速比减少的速度比在转速恒定区更快，从而使风力发电机组在更小的Cp值下作恒功率运行。图3-38所示为变速风力发电机组在三个工作区运行时Cp值的变化情况。

图3-38　变速风力发电机组在三个工作区运行时Cp值的变化情况

1.Cp恒定区

在Cp恒定区，风力发电机组受到给定的功率转速曲线控制。Popt的给定参考值随转速变化，由转速反馈算出。Popt以计算值为依据，连续控制发电机输出功率，使其跟踪Popt曲线变化。用目标功率与发电机实测功率之偏差驱动系统达到平衡。功率转速曲线的形状由Cpmax和λopt决定。图3-39所示为转速变化时不同风速下风力发电机组功率与目标功率的关系。

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图3-39　转速变化时不同风速下风力发电机组功率与目标功率的关系

如图3-39所示，假定风速为v2，点A2为转速为1200r/min时发电机的工作点，点A1为风力机的工作点，它们都不是最佳点。由于风力机的机械功率（A2点），过剩功率使转速增大（产生加速功率），过剩功率等于A1和A2两点功率之差。随着转速的增大，目标功率遵循Popt曲线持续增大。同样，风力机的工作点也沿v2曲线变化。工作点A1和A2最终将在A3点交汇，风力机和发电机在A3点功率达成平衡。当风速为v3时，发电机转速大约是2000r/min。发电机的工作点为B2，风力机的工作点为B1，由于发电机负荷大于风力机产生的机械功率，故风轮转速减小。随着风轮转速的减小，发电机功率不断修正，沿Popt曲线变化。风力机械输出功率亦沿v3曲线变化。随着风轮转速降低，风轮功率与发电机功率之差减小，最终二者将在B3点交汇。

2.转速恒定区

如果保持Cpmax（或λopt）恒定，即使没有达到额定功率，发电机最终将达到其转速极限，此后风力机进入转速恒定区。在这个恒定区域，随着风速的增大，发电机转速保持恒定，功率在达到极值之前一直增大。控制系统按转速控制方式工作，风力机在较小的λ区（Cpmax的左面）工作。图3-40所示为发电机在转速恒定区的控制方案。

3.功率恒定区

随着功率的增大，发电机和变流器将最终达到其功率极限。在功率恒定区，必须靠降低发电机的转速使功率低于其极限。随着风速的增大，发电机转速降低，使Cp值迅速降低，从而保持功率不变。

增大发电机负荷可以降低转速。只是风力机惯性较大，要降低发电机转速，将有动能转换为电能。

如图3-41所示，以恒定速度降低转速，从而限制动能变成电能的能量转换。这样，为降低转速，发电机不仅有功率抵消风的气动能量，而且抵消惯性释放的能量。因此，要考虑发电机和变流器两者的功率极限，避免在转速降低过程中释放过多功率。例如，把风轮转速降低率限制到1（r/min）/s，按风力机的惯性，这大约相当于额定功率的10%。

图3-40　发电机在转速恒定区的控制方案

n—转速当前值；Δn—设定的转速增量；nr—转速限制值

图3-41　恒定功率的实现

由于系统惯性较大，必须增大发电机的功率极限，使之大于风力机的功率极限，以便有足够的空间承接风轮转速降低所释放的能量。这样，一旦发电机的输出功率高于设定点，就直接控制风轮，以降低其转速。因此，当转速慢慢降低，功率重新低于功率极限以前，功率会有一个变化范围。

高于额定风速时，变速风力发电机组的变速能力主要用来提高传动系统的柔性。为了获得良好的动态特性和稳定性，在高于额定风速的条件下采用变桨距控制能得到更为理想的效果。在变速风力发电机组的开发过程中，对采用单一的转速控制和加入变桨距控制两种方法均作了大量的实验研究。结果表明：在高于额定风速的条件下，加入变桨距控制的风力发电机组，其传动系统的柔性及输出的稳定性显著提高。因为在高于额定风速时，应追求稳定的功率输出，采用变桨距控制，可以限制转速变化的幅度。当桨叶节距角向增大方向变化时，Cp值得到了迅速有效的调整，从而控制了由转速引起的发电机反力矩及输出电压的变化。采用转速与变桨距双重控制，虽然增加了额外的变桨距机构和相应控制系统的复杂性，但由于改善了控制系统的动态特性，仍然被普遍认为是变速风力发电机组理想的控制方案。

在低于额定风速的条件下，变速风力发电机组的基本控制目标是跟踪Cpmax曲线。改变桨叶节距角会迅速降低功率系数Cp值，这与控制目标相违背，因此在低于额定风速的条件下加入变桨距控制不合适。