控制技术研究的内容介绍

随着风电机组单机容量的增大和风力发电在电网中的比例不断提高，风力发电机组控制技术的研究范围不断扩大，目前大致可分为两个层面。一是以提高风力发电机组单机性能为目标的控制技术（机级控制），其中包括以实现最大风能转换效率为目的的风轮转速对风速的跟踪技术；以降低不平衡、不对称或间歇性载荷为目的的各种变桨控制技术和独立变桨控制技术；以提高电网友好性为目的的电网故障穿越技术等，以及与上述密切相关的机组的建模与仿真技术和系统辨识技术研究；二是以提高风电场运行有效性和电网的安全性为目标的控制技术（场级控制），其中包括风电场在线监测和远程监控及数据统计分析技术；风电场短时功率预测和调度技术等。本书主要讨论机级控制。

风力发电机组的控制系统是一个综合管理平台。它不仅要监视电网、风况和机组的运行参数，在各种风况或故障情况下确保机组和电网的安全性与可靠性；还要根据风速与风向的变化以及电网情况对机组进行优化控制，以保证机组高效、稳定地运行；还要根据电网的要求，进行能量的调度和控制。

在风力发电技术的发展过程中，控制技术始终起着主导作用，并且随着风力发电技术的发展，其重要性更加突出。20世纪80年代中期，定桨恒速风力发电机组实现了商业化运行，它主要解决了风力发电机组的并网问题和运行的安全性与可靠性问题。定桨恒速风力发电机组采用了软并网技术、空气动力制动技术、偏航与自动解缆技术，这些都是并网运行的风力发电机组需要解决的最基本的问题。由于功率输出是由桨叶自身的性能来限制的，叶片的桨距角在安装时已经固定，而发电机的转速受到电网频率限制。因此，只要在允许的风速范围内，定桨恒速风力发电机组的控制系统在运行过程中对由于风速变化引起输出能量的变化是不作任何控制的。这就大大简化了控制技术和相应的伺服传动技术，使得定桨恒速风力发电机组能够在较短时间内大规模推广运行。

20世纪90年代初期，基于高转差率异步发电机进行有限变速的全桨变距风力发电机组开始进入风力发电市场。采用全桨变距的风力发电机组，起动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力发电机组的起动性能和功率输出特性都有显著的改善。这时，风力发电机组的液压系统不再是简单的以制动为目的的执行机构，为实现变桨控制，它采用电液比例阀或电液伺服阀组成了闭环控制系统，使风力发电机组的控制水平提高到一个新的阶段。(www.xing528.com)

由于有限变速的全桨变距风力发电机组在额定风速以下运行时的效果仍不理想，到了20世纪90年代中期，基于变速恒频技术的全桨变距风力发电机组开始进入风电市场。变速恒频风力发电机组与定桨恒速风力发电机组的根本区别在于，变速恒频风力发电机组风轮转速可以跟随风速变化，从而使机组获得最佳功率输出特性。变速恒频风力发电机组的主要特点：低于额定风速时，它能最大限度跟踪最佳功率曲线使风力发电机组具有较高的风能转换效率；高于额定风速时，它可以增加传动系统的柔性，使功率输出更加稳定，特别是解决了电网瞬时故障穿越等问题后，达到了高效率、高质量地向电网提供电能的目的。

今后风电机组控制技术的总体发展方向是智能化，机级和场级控制融合在一起。新一代物联网技术、传感检测技术、大数据和云计算将更多地应用到风电机组的控制系统，同时风电机组故障自诊断和自修复技术，部件寿命预测及评估技术日趋成熟，并结合预测和采集气象、风况、电网等外部信息，进一步提升机组的性能，提升机组对环境和电网的适应性，提高机组发电量的可预测性、可控制性和可调度性，保证风电场整个运行生命周期的经济性。风电机组在未来的控制应该是一种实时数据驱动性的方式，以经济性指标为准则，能实时定量分析每一控制行为对机组所有零部件寿命的影响，通过自身的控制行为实现设备寿命平衡与发电性能指标的综合优化。