控制目标优化：变速恒频风电机组

对于变速恒频风电机组而言，在额定风速以下运行时，风电机组应该尽可能地提高能量转换效率。这主要通过发电机转矩控制，使风轮的转速能够跟踪风速的变化，保持最佳叶尖速比运行来实现。根据风力机的特性，这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比额定风速时小，因此也没必要通过变桨来调节载荷。在额定风速之上时，变桨控制可以有效地调节风电机组所吸收的能量，同时控制风轮上的载荷，使之限定在安全设计值以内。但由于风轮的巨大惯性，变桨控制对机组的影响通常需要数秒的时间才能表现出来，这很容易引起功率的波动。在此情况下，必须以发电机转矩控制来实现快速的调节作用，以变桨调节与变速调节的耦合控制来保证高品质的能量输出。

风轮所受的空气动力学载荷主要分为两大部分：确定性载荷与随机性载荷。随机性载荷是由风湍流引起的，而确定性载荷则可分为以下三种：

1）稳态载荷：由风轮轴向定常风作用而产生的载荷。

2）周期载荷：即按一定周期重复的载荷。引起周期载荷的因素主要有叶片的重力影响、风剪切、塔影效应、偏航误差、主轴的上倾角、尾流速度分布等。对于三叶片风力发电机组而言，对结构影响最大的是频率为风轮旋转频率（1P）以及该频率3倍（3P）和该频率6倍（6P）的周期载荷。

3）瞬态载荷：暂时性的载荷，如阵风和停机过程中所受的载荷。

准确的结构动力学分析是风电机组进行优化控制的关键。现代的大型风电机组由于叶片的长度和塔架的高度大大增加，结构趋于柔性，这有利于减小极限载荷，但结构柔性增强后，叶片除了挥舞和颤振外，还可能发生扭转振动，当叶片挥舞、颤振和扭转振动相互耦合时，会出现气弹失稳，导致叶片损坏。另一方面，在变桨机构动作与风轮不均衡载荷的影响下，塔架会出现前后方向和左右方向的振动，如果该振动的激励源与塔架的自然频率产生共振时就有导致机组倾覆的危险。

由于在实施控制的过程中会对结构性负载及振动产生影响，这种影响严重时足以对机组产生破坏作用，所以在设计控制算法时必须考虑这些影响。一个较完整的风电机组控制系统除了能保证高的发电效率和电能品质外，还应承担以下任务：(www.xing528.com)

1）减小传动链的转矩峰值；

2）通过动态阻尼来抑制传动链振动；

3）避免过量的变桨动作和发电机转矩调节；

4）通过控制风电机组塔架的振动尽量减小塔架基础的负载；

5）避免轮毂和叶片的突变负载。

这些目标有些相互间存在冲突，因为各种载荷不仅影响部件的成本，而且影响各部件的可靠性。所以控制的设计过程需要进行相互权衡，实现最优化设计。