如何选择适合风力发电系统的运行区域？

根据不同的风况，交流励磁变速恒频风力发电机组的运行可以划分为三个区域。三个运行区域的控制手段和控制任务各不相同，风力机控制子系统和发电机控制子系统的控制重点和协调关系也不同。

第一个运行区域是启动阶段，此时风速从零上升到切入风速。在切入风速以下时，发电机与电网相脱离，风力发电机不能发电运行，直到当风速大于或等于切入风速时发电机方可并入电网。这个区域的主要任务就是实现发电机的并网控制，在进行并网控制时，风力机控制子系统的任务是通过变桨距系统改变桨叶节距来调节机组的转速，使其保持恒定或在一个允许的范围内变化。发电机控制子系统的任务则是调节发电机定子电压，使其满足并网条件，并在适当的时候进行并网操作。关于交流励磁变速恒频风力发电系统的并网技术，将在下一章详细介绍。

第二个运行区域是风力发电机并入电网并运行在额定风速以下的区域。此时风力发电机获得能量并转换成电能输送到电网。根据机组转速，这一阶段又可分为两个区域：变速运行区和恒速运行区。当机组转速小于最大允许转速时，风力发电机组运行在变速运行区。为了最大限度地获取能量，在这个区域里实行最大风能追踪控制，机组转速随风速变化相应地进行调节，确保风力机的风能利用系数CP始终保持为最大值CPmax，故该区域又称为CP恒定区。在CP恒定区追踪最大风能时，风力机控制子系统进行定桨距控制，发电机控制子系统通过控制发电机的输出功率来控制机组的转速，实现变速恒频运行。实际上为了优化最大风能追踪效果，可以综合采用风力机变桨距控制和发电机功率控制，即由风力机控制子系统变桨距实现“粗调”，由发电机控制子系统功率实现“细调”。但这种方案要求风力机控制子系统和发电机控制子系统具有良好的通信和协调能力，增加了系统的复杂性。当机组转速超过最大允许转速时进入恒转速区。在这个区域内，为了保护机组不受损坏，不再进行最大风能追踪，而是将机组转速限制到最大允许转速上。恒转速区的转速控制任务一般是由风力机控制子系统通过变桨距控制来实现。

第三个运行区域为功率恒定区。随着风速和功率不断增大，发电机和变换器将达到其功率极限，因此必须控制机组的功率小于其功率极限。当风速增加时，机组转速降低，CP值迅速降低，从而保持功率不变。在功率恒定区内实行功率控制一般也是由风力机控制子系统通过变桨距控制实现的。

从上面的讨论可以看出，随着风速的变化，风力发电机组运行在不同的区域，各有不同的控制任务、不同的控制方法，图7-10交流励磁变速恒频风力发电机组运行区域区清晰地表示了这些关系。图中OA为启动阶段，对发电机进行并网控制，发电机无功率输出；AB段为CP恒定区，机组随着风速作变速运行以追踪最大风能；BC段为转速恒定区，随着风速增大，转速保持恒定，功率将增大；CD段为功率恒定区，随着风速增大，控制转速迅速下降以保持恒定的功率输出。三个运行区域的CP值变化情况如图7-11所示。

图7-10　交流励磁变速恒频风力发电机组运行区域图

图7-11　不同运行区域的CP值变化情况图

（a）CP恒定区；（b）转速恒定区；（c）功率恒定区

风力发电机组不同运行区域的比较见表7.1。

表7-1　风力发电机组的运行区域的比较

根据交流励磁变速恒频风力发电机组的运行区域，可将运行控制策略确定为：低于额定风速时，实行最大风能追踪控制或转速控制，以获得最大的能量或控制机组转速；高于额定风速时，实行功率控制，保持输出稳定。

在定桨距情况下，同一个风速下不同的转速会使风力机输出不同的功率。要追踪最佳功率曲线，必须在风速变化时及时调整转速ω，保持最佳叶尖速比λopt，即最大风能追踪的过程可以理解为风力机的转速调节过程，转速调节的性能决定了最大风能追踪的效果。

最大风能追踪有多种实施方案：(www.xing528.com)

（1）最大风能追踪控制的任务可以由风力机完成，也可以由发电机完成。交流励磁变速恒频风力发电系统主要由风力机控制子系统和发电机控制子系统组成，两个子系统协调工作，共同确保整个风力发电系统的正常运行。如前所述，最大风能追踪控制实质上就是风力机（或机组）的转速控制。采用风力机控制子系统进行调速的困难在于机械时间常数大，动态性能差，调速精度低，机械调速机构复杂，维护困难。发电机控制子系统的控制对象为电气量，时间常数小，动态响应快，控制系统简单。

（2）最大风能追踪可以采用检测风速的方案，也可以采用不检测风速的方案。要通过控制机组的转速来实现最大风能追踪，需要检测当前的风速并计算出最佳转速后进行转速控制，这实际上是一种直接转速控制的方法，控制目标明确，原理简单。但现场中风速的准确检测比较困难，实现起来存在很多问题，风速检测的误差会降低最大风能追踪的效果。在实际应用中，可以通过控制策略和控制方法的改进来避免风速的检测。在无风速检测环节的情况下，一般是通过控制其他参数来间接控制风力机转速，从而实现最大风能的追踪。这种方案省去了风速检测装置，提高了系统的运行性能，具有广阔的应用前景。

综合以上各方案的优缺点，本节采用了一种通过DFIG功率控制来实现最大风能追踪的方案。它的实质是通过控制DFIG输出有功功率来控制DFIG的电磁阻转矩，从而间接地控制机组的转速。该方案不需要风速的检测，控制结构简单，动态性和鲁棒性较好，具有实际应用价值。这种方案的控制结构如图7-12所示，图中Pv为风力机的输入风能，分别为DFIG的参考有功功率和参考无功功率（即功率控制指令）。据此可讨论最大风能追踪的实现机理。

图7-12　最大风能追踪的控制结构图

由DFIG的功率关系可知

式中　P1，Pcu1，Pfe1——发电机定子的输出功率，铜耗，铁耗；

Pe——发电机电磁功率；

s——发电机转差率；

Po，Pms，Pm——发电机输入机械功率，机械损耗和发电机吸收的净机械功率；

P2，P′2——发电机转子功率和转子损耗。

为实现最大风能追踪，应依据风力机最佳功率曲线和风力机转速来实时计算DFIG的参考输出有功功率。式（7-11）中，令Po=Pmax=即令风力机按最佳功率曲线输出最大机械功率，可得

按照控制DFIG的输出有功功率，就可实现最大风能的追踪与捕获。