变速变桨距风电机组的全风速限功率优化控制
直驱式永磁同步风力发电机变速变桨距控制
直驱式永磁同步风力发电机变速变桨距控制变桨距是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法。
变桨距控制会对所有由风轮产生的空气动力载荷产生影响。
直驱式永磁风力发电机组一旦达到额定转矩，载荷转矩就不能继续增加，但风速还在增加，所以转速也开始增加，应用变桨距控制调节转速，使转速不超过上限，并由变流器保证载荷转矩恒定不变。
通常PI或PID调节器调节桨距角就可以满足要求，在有些情况下要用滤波器对转速误差进行处理，以防止过度的桨距动作。
一、变速变桨距控制概述1.基本控制要求在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能捕捉较多风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比在额定风速以上时的动力载荷小，也没有必要通过变桨距来调节载荷。
在额定风速以上时，变桨距控制可以有效调节风力发电机组的吸收功率及风轮产生的载荷，使其不超出设计的限定值。
而且为了达到良好的调节效果，变桨距应该对变化的情况作出迅速的反应。
这种主动控制器需要仔细设计，因为它会与风力发电机组的动态特性相互影响。
随着叶片攻角的变化，气流对风轮的作用力也会随之发生改变，这就会导致风力发电机组塔架的振动。
随着风速的增加，为了保持功率恒定，转矩桨距角也随着增加，风轮所受到的力将会减小。
这就使塔架的弯曲减小，塔架的顶端就会向前移动引起以风轮为参照物的相对风速的增加。
空气动力产生的转矩进一步增加，引起更大的调桨动作。
显然，如果变桨距控制器的增益太高会导致正反馈不稳定。
2.主动失速变桨距在额定风速以下时，桨距角设定值应该设置在能够吸收最大功率的最优值。
按照这个原则，当风速超过额定风速时，增大或减小桨距角都会减小机组转矩。
减小桨距角，即将叶片前缘转向背风侧，通过增大失速角来调节转矩，使升力减小，阻力增加，称为主动失速变桨距。
尽管顺桨是更常见的控制策略，但是有些风力发电机组采用主动失速变桨距的方法，通常称为主动失速。
向顺桨方向变桨距比主动失速需要更多的动态主动性，一旦大部分叶片失速，就没有足够的变桨距调节来控制转矩。
风电机组的独立变桨距优化控制系统综述
０ 引 言
随着装 机容量 的飞速发 展 ，风 电机组逐 渐大 型化 。变 桨距成 为市 场 上大 中型风 力机桨 叶控制 的主流运 转形 式 变桨距 控制 分统一 变桨 距 和独立 变桨距 。前 者是通过 执行机 构对风 力机 的三个桨 叶实施 同步 调节控制 ，后者是每个 桨叶都有一 套独立 的变 桨距驱动 系统 。
减缓 电网 电压 波 动的 独立 变桨距控 制 策略 。最后 对 独 立 变桨距控 制 方 法和发 展前 景提 出 了展 望 。
【 关键词 】 独立变桨距控制；桨距 角；不平衡载荷 ；功率波动
２ － ２ 独 立 变桨控 制 基本 原理 风 电机 组 变速 变桨 控制 目的是 ：在 风速 低 于额 定风 速 时 ，通 过 变 速控 制实 现 最大 能量 捕 获 ：高于 额 定风速 时 ，通 过变 桨控 制 使 发 电机 输 出功 率为 额 定值 。 图２ 为 独 立 变桨 控 制 工作 原 理框 图 。其 中集 中 变桨 控 制 环 实现 变速 变 桨控 制 功能 ，输 出三 个 桨叶 期望 桨距 角 的相 同部 分 ：独 立变 桨控 制 环 ，可 减小 风轮 不均 衡 载荷 ，减 少转 子 的倾 斜和 偏航 力 矩 ， 分 别输 出三 个桨 叶不 同 的桨距 角 期望补 偿 值 。
３ ． １ 减 少风 力涡 轮机 载 荷的 独立 变桨 控制 策 略 风 力 涡轮 机 系统 载 荷 由 基波 和 高 次 谐波 组 成 ，采 用 Ｐ Ｒ控 制方 法…，提 出 了比例积 分谐 振 独立 变桨控 制 （ Ｐ Ｉ — Ｒ Ｉ Ｐ Ｃ）策 略 １ 。 Ｐ Ｉ ． Ｒ Ｉ Ｐ Ｃ 方 案 、控制 器 配置 及控 制 回路框 图 如图３ — ５ 所示。
１
５
ｌ Ｏ
变速变桨风力发电机组的优化控制
变速变桨风力发电机组的优化控制随着清洁能源的兴起，风力发电的应用越来越普遍。
然而，风力发电的效率受到风速的影响，不稳定因素较多，因此如何优化控制风力发电机组依然是一个亟待解决的问题。
变速变桨控制技术是目前风力发电机组最常用的控制技术之一，本文将探讨变速变桨风力发电机组的优化控制。
一、变速变桨技术概述1.1 变速控制传统的定速风力发电机组通过控制电网电压和频率来确保输出功率稳定，但其效率较低，因此相对而言较少使用。
变速控制是指通过控制旋转叶片的转速来调整输出功率。
旋转叶片的转速会受到风速的影响，因此需要根据实时的风速来调整转速。
一般来说，当风速越大的时候，需要调整输出功率，因此需要提高转速；当风速越小的时候，需要降低转速以保证输出功率不变。
1.2 变桨控制变桨控制是指通过调整旋转叶片的角度来控制发电机组的输出功率。
旋转叶片的角度会影响叶片所受到的空气阻力和风速之间的关系，因此可以通过调整叶片的角度来调整输出功率。
一般来说，当风速越大的时候，需要调整叶片的角度以降低空气阻力从而保证输出功率不变；当风速越小的时候，需要调整叶片的角度以增加叶片所受到的空气阻力来提高输出功率。
二、变速变桨优化控制2.1 变速变桨联合控制变速变桨联合控制是指将变速控制和变桨控制结合起来，以实现更精确的输出功率控制。
当风速较高时，变桨控制通过调整叶片的角度来减小空气阻力，从而降低发电机组的输出功率；当风速较低时，变桨控制通过调整叶片角度来增加空气阻力，从而提高发电机组的输出功率。
而当风速在一定的范围内变化时，变速控制则通过调整发电机组的转速来进行功率控制。
2.2 基于模型预测控制的优化控制基于模型预测控制的优化控制是一种基于数学模型的高级控制方法，能够实现精确的功率控制并减少疲劳损伤。
该方法将实时的风速数据作为控制输入，通过预测未来一段时间内的风速变化情况，来调整发电机组的输出功率。
该方法需要实时采集数据，并根据历史数据建立数学模型，从而能够根据风速的变化趋势来实现优化控制。
变速变桨距风力发电机组控制策略优化分析
变速变桨距风力发电机组控制策略优化分析作者：罗华兵李顺云丁祥来源：《探索科学》2015年第12期摘要：随着经济科技的迅速发展，各国对能源的开发与利用也开始有了新的想法和变化。
风能作为一种清洁的可再生能源，更是越来越受到各国负责能源开发与利用的相关工作者们的重视。
风能的潜在蕴含量非常大，全球的总风能目前的预测数据为MW，并且其中可利用的风能也达到MW，也许单纯的数字并不能充分显示出风能的可利用，但是通过与其他能源的相比较就能明显看出风能可开发利用的储量有多大，风能是地球上可开发利用的水能总量的十倍甚至更多。
关键词：变速变桨距；风力发电；风能开发；机组控制；优化风能的能量密度低，风能相比其他各类能源也更加不稳定，虽然开发潜力巨大但是其中的困难也是相对较多。
目前大型风力发电机组的控制问题也比较困难，变速变桨距风力发电机组无论是在低于额定风速还是在高于额定风速方面都有着不同的控制方式与控制策略。
另外，变速变桨距风力发电机组在进行初步风力发电建模的过程中也会出现各类问题。
本文将针对目前已有的问题以及如何进行变速变桨距风力发电机组的控制策略优化做出简单分析，以供广大读者参考。
一、变速变桨距风力发电机组控制的概念简述1.变速变桨距直白的来讲就是指风力发电的一种混合式调速方式。
其中，变速变桨距风力发电机组还应当将变速以及变桨距分开来解释：（1）变速是指风机变速器，风机变速器由多种部件组成，主要功能是通过变速器当中齿轮组的不断变化来达到控制发电机转数的目的，最终保障发电系统中发电机的电机电压及电流更加稳定。
变速器特征明显，功能作用明显。
另外，随着科技的不断发展，变速器也开始采用新型的转数传感器，这也为齿轮组的转动和工作带来了更好的硬件条件。
（2）变桨距具体可以分为风机变桨调节的两种状态，一种是指正常运行的连续变桨，另一种是指停止状态下的全顺桨。
连续变桨距是指风机在开始启动时桨叶由90°向0°方向转动，与此同时，并网发电桨叶在0°附近进行调节。
变速风力发电系统统一功率控制策略研究
变速风力发电系统统一功率控制策略研究发布时间：2022-08-31T01:04:41.283Z 来源：《当代电力文化》2022年第8期作者：隋世强[导读] 在经过近十年来的发展，以风能为代表的新能源取得了迅猛发展和长足进步。
隋世强辽宁龙源新能源发展有限公司辽宁省沈阳市 110000摘要：在经过近十年来的发展，以风能为代表的新能源取得了迅猛发展和长足进步。
在风能开发、利用方面，以风力发电为主，控制风电机组安全、稳定运行主要采用变速、变桨技术。
该文以变速变桨距风电机组为研究对象，在不添加额外设备情况下，以实现捕获最大风能和平滑功率输出的双重目标。
关键词：变速风力发电系统；统一功率控制；策略1变速发电的控制变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现。
低风速段。
实际风速小于额定风速，按输出功率最大功率要求进行变速控制，主要是调节发电机转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。
高风速段。
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转矩，另一个通过伺服系统控制桨叶节距。
2变速发电机及控制方式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，也有采用低速同步发电机。
在低于风速时，通过整流器及逆变器来控制发电机的电磁转矩，实现对风力机的转速控制;在高于额定风速时，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:内部的发电机转速控制环和外部桨叶节距控制环。
3双馈异步风力发电控制系统绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限IGBT电压型交—直—交静止变频器接电网。
变速变桨距风力发电机组控制方法研究
在 风 速较 低 ， 电机输 出功率 未 达 到额定 功 率 发 时， 应尽 可能将 风 能转 化 为 输 出 的电 能 。从 图 １可 以看 出 ， 在桨 叶节距 角 卢＝ 。 ， ０ 时 Ｃ 相对 最 大 （ 由于
桨 叶形 状设计 ， 一般 节距 角 卢＝３ 时 ， 大 ） 。 Ｃ能全 部被 风轮 吸收利用 。 由空 气 动力学 方面 的知识 可得 风力 机 的机 械输 出功率 ：
Ｐ ＝ ， 詈ｃ（ 卢 Ａ）
Ａ：
ｔ ７
使 输 出功率稳 定在额 定功 率附近 。
式中： ｐ为空 气 密 度 ； 为风 轮 半 径 ； 为风 速 ； Ｒ ｔ Ｊ Ａ为 叶尖速 比 ； 为桨 距角 ； 为风轮 旋转 角速 度 ；Ｄ ｔ ｏ ｃ 为 风 能利用 系 数 ， 是 叶 尖 速 比 Ａ 和 桨 距 角 卢 的 函 它 数。 （ 卢 ０２（ Ａ，）： ．２
第２ ６卷
第 ２期
甘肃科 技
Ｇａ ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｎ ｕ Ｓｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌｇ
Ｚ２ ．６
Ⅳ０ ２ ．
２１ ０ ０年 １月
Ｊｎ ａ． ２ Ｏ Ｏｌ
变 速 变 桨 距 风 力发 电机 组控 制方 法研 究
雷晓梅
（ 兰州交通大学 ， 甘肃 兰州 ７０ ７ ） ３０ ０
终结 果表 明 ， 控制 曲线与预期要求一致 。 关键词 ： 变速恒频 ； 风力机组 ； 变桨距控制 ； 仿真
中图 分 类 号 ：Ｍ ６ Ｔ ７１
② 对于 任意 的叶尖 速 比 Ａ， 叶节 距角 ＝ 。 的风 桨 ０时
１ 风力机空气动力学特性分析
在外界 风力 的作 用下 ， 轮旋转 产生机 械能 ， 风 带
变桨距风力发电机组控制系统方案
研究的主要内容
1. 风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构 4.变桨距风力发电机组的模型 5. 对风力发电技术的展望
控制系统的执行机构 本系统采用的是电动变桨距机构，电动变桨距机 构可采用伺服电机对每个桨叶进行单独调节。伺 服电机通过主动齿轮与桨叶轮毂内齿圈相啮合， 直接对桨叶的节距角进行控制。位移传感器采集 桨叶节距角的变化从而构成闭环控制。在系统出 现故障或控制电源断电时，电机由蓄电池等储能 装置供电将桨叶调为顺桨位置。
变桨距风力发电机组控制系统的 研究
付冬梅
研究的主要内容
1. 风力机组的特点及运行过程 2.变桨距控制系统 3.控制系统的执行机构 4. 变桨距风力发电机组的模型 5.对风力发电技术的展望
变桨距风力发电机组的特点
1.机组的特点
1
改善机组的受力， 优化功率输出 （与发电机转差 率调节配合） .
2
比定桨距风力机 额定风速低、效 率高；且不存在 高于额定风速的 功率下降问题 .
变桨距控制系统
3.变桨距控制
额定功率 风速
+
-
功率 控制器A
+ -
+ -
变桨 执行器 桨距角
变距 机构
风轮 系统
传动 系统
发电机
滤波器
风速信号 转速
同步转速
-
P
功率给定
+
S
+
-
功率 控制器B
转子电流 执行器
发电功率
b、功率控制器A并网后执行变桨到最大攻角，低于额定功率（额定风速）时控制 器输出饱和，攻角最大；高于额定风速后进入恒功率控制；引入风速前馈通道， 超过额定风速后，当风速变化时起到快速补偿作用。 c、功率控制器B低于额定风速调节转差率“实现”最佳叶尖速比调节，即风速增 加转差率增大；高于额定风速时配合功率控制器 A维持功率恒定。原理是风速出 现波动时，由于变桨调节的滞后使驱动功率发生波动，调节转差率（转子电流） 使机组转速变化而维持功率恒定，利用风轮储存和释放能量维持输入与输出功率 的平衡。
变速变桨距风力发电系统功率优化与控制方法研究
变速变桨距风力发电系统功率优化与控制方法研究现代社会能源问题日渐严重和生态环境问题频发,开发利用可再生能源对改善生态问题有着极为重要的作用。
其中风能具有分布广泛、储量丰富和利用方便等特点,成为现阶段发展速度最快和最具有发展前景的可再生能源之一。
风电技术中风力发电系统的功率优化与控制方法研究也成为研究的重点。
选用双馈风力发电系统为研究对象,通过分析风力发电系统的基本组成结构和运行状态,提出了全风速段双模控制策略。
并且建立了变速变桨距风力发电系统的数学模型和模拟风速的仿真模型,为验证控制策略的有效性提供仿真环境。
针对风力发电系统在额定风速以下运行时的最大风能捕获问题,分别采用爬山搜索法和改进极值搜索法进行风电系统的最大风能捕获控制。
改进极值搜索法通过运行点相位信息来进行搜索,并通过改进积分器实现变步长快速追踪稳定运行的控制目标。
仿真结果表明:改进极值搜索法能够使系统快速地跟踪风速变化,保持最佳叶尖速比,提高了风能利用系数和风能的利用效率。
针对风力发电系统在额定风速以上运行时保持恒功率运行问题,分别采用常规PID和模糊自适应PID变桨距控制。
通过模糊控制器来实时整定PID控制器的三个参数,提高了变桨距控制系统的动态响应特性,使系统的输出功率更加稳定,同时降低了系统的机械载荷,保证了风电系统的平稳安全运行。
针对风力发电系统的功率优化与控制问题,提出了在全风速段以两种控制模式运行的控制策略。
对风力发电系统的运行风况进行以额定风速为准的高低两种风况的判别,低风速段采用基于改进极值搜索法的最大风能捕获控制;高风速段采用基于模糊自适应PID变桨距控制。
通过仿真效果来看,针对不同的风况条件,实现了风力发电系统功率的优化与控制,能够使系统快速响应,有效提高了风能利用效率和恒功率运行的稳定性,既提高了风力发电系统经济效益又保证了安全稳定运行。
图36幅;表8个;参44篇。
变速风力发电机组的变桨控制及载荷优化
能源发 电控制技
Ｔｈｅ Ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏ力 发 电机 组 的 变 桨 控 制 及 载 荷 优 化
刘军 ，高璐 （西 安 理 工 大 学 ，陕西 西 安 ７１００４８）
摘 要 ：针对额定 风速 以上 ，如何抑制变速风力 发电机组 因反 馈信号滞后 引起 的输 出功 率波动 以及机组 载荷等控制 技术 问题进行研 究。在研究 了传统变桨控 制的基础 ＿ｌ Ｉ＝，提 出基 于风扰动 的前馈补偿控制 与传统 ＰＩＤ反馈信号 相结合 的变桨控 制策略 。通过 ＭＡＴＬＡＢ环境下进行仿真研究 ，结果表 明：桨控 制策 略能够快速使 风力机 的输出转矩保持在额定转矩附近 ，减小风机转速波 动 以及风电机组传动链扭振 ，从而降低 风电机组承受的气动载荷使得系统运行更加平稳 。
Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｐｉｔｃｈ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｌｏａｄ ０ｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｐｅｅｄ Ｗ ｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ
ＬＩＵ Ｊｕｎ，ＧＡＯ Ｌｕ
（Ｘｉ＇ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ＇ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７１００４８，Ｃｈｉｎａ）
针 对 ＰＩ变 桨 控 制 存 在 的 不 足 ，此 次 采 用 基 于 风 扰 动 的 前 馈 补偿控 制对传统 ＰＩ控制得 到 的参 考桨距 角进行 在线 补偿修 正。 当风速高于额定 风速并发生 突降时，前馈 补偿 控制器能够迅速减 小 桨距 角的设定值 ，增加 风轮吸 收的风能 。反 之 ，控 制器 能够迅 速加 大桨距 角设定值 ，增大桨距 角 ，减小风能吸收 ，从 而保证风轮 转 速能够快 速稳 定在 额定值 附近 ，降低发 电机转矩波 动 ，维持功 率恒定。最 后在 ＭＡＴＬＡＢ环 境下 进行 仿真研 究 ，验证 了此 次控 制 策 略 的 可 行性 和 有 效性 。
风力发电对变桨距及定桨距叶片气动性能与功率控制方式的分析
风力发电对变桨距及定桨距叶片气动性能与功率控制方式的分析摘要：依据风力发电厂实际的发电工作情况,并且从气动性和功率的控制这两方面对变桨距和定桨距叶片气的运行状况展开了叙述,针对风力发电机在安装运行中的问题提出了解决的措施。
关键词：变桨距定桨距气动性能功率控制风力发电所用的机械能是由叶片来进行对风能的吸收从而转化而来的,因此叶片就成为风力机的主要部件。
为了保证叶片在时时变化的风速下依然能够运行同时达到一定的稳定因素,从而不出现由于输出的功率过大而导致的事故发生,就一定要在叶片在进行功率的输出时做出相应的控制。
对于控制的原则不同,所以使用的机型也就不同,本文针对变桨距及定桨距这了两种不同类型的机型的特点进行了分析。
1、变桨距叶片的运行方式对于变桨距叶片运行的方式:它主要是依据对桨距角的改变。
改变叶片剖面攻角,适应风速的变化、是的在其在低风速运行的状态下最大限度的发挥风能的利用价值,提高气动输出的性能;在风速较高的状态下运行时,要降低叶片的气动性能,可以对攻角进行改变,降低叶片在高风速运行下的功率,从而达到在低功率下进行调速的目的。
1.1 对变桨距进行控制的操作原理由于变桨距的叶片在变距时,可分为两种情况:正调和负调。
对于变距系统来说它可以保证叶片在任何运行状态下做到最优良的运行。
现以美国100kW变桨距风力机变距控制为例:当达到启动风速时,风速仪信号传至监控单板机,驱动变距伺服系统使桨距角以很小的幅度向功率方位发展,并且幅度间歇上有允许叶片加速的过程,同时单板机监测加速率并调整幅度和间歇,以使叶片和驱动系统在没有重负荷情况下平稳加速。
如果突然有阵风引起的速度加快,单板机发出信号降低或退回至最后一次的桨距变化幅度;如果启动过程中有多于12次的退回出现,系统就会有报警并停机。
变距驱动至输出这一动作一直持续到测速系统显示的发电机转速达1500.5r/min时,风力机进入运行状态。
风力机进入运行状态后,单板机从功率变送器不断读出输出功率,并指示变距伺服系统据此改变桨距角来保持叶片运行平稳。
基于功率灵敏度因子的风力机变速变桨距控制研究
基于功率灵敏度因子的风力机变速变桨距控制研究随着风力发电技术的不断发展，风力机在变速、变桨距控制方面也得到了极大的改进。
功率灵敏度因子是一种常用的控制参数，通过调节功率灵敏度因子可以实现风力机的最优控制。
本篇论文将对功率灵敏度因子在风力机变速、变桨距控制中的应用和影响进行探讨。
一、功率灵敏度因子的基本概念功率灵敏度因子是指风力机输出功率与风速之间的灵敏度，是一个描述风力机输出特性变化的重要控制参数。
它的定义如下：$$\frac{dP}{dV}=C_p\times \frac{d \eta}{d \lambda}\times \frac{d\lambda}{dV}$$其中，$P$为风力机输出功率，$V$为风速，$C_p$为功率系数，$\eta$为风轮效率，$\lambda$为波比，即轮毂转速与风速之比。
公式中第二项为风轮效率对波比的导数，第三项为波比对风速的导数。
功率灵敏度因子的数值大小反映了风力机的输出功率对风速变化的敏感程度，当功率灵敏度因子大于1时，风力机的输出功率会随着风速变化而增加，反之则减小。
二、功率灵敏度因子在风力机变速控制中的应用变速控制是指通过控制风力机的转速，使其在不同风速下能够输出最大功率的一种控制方式。
变速控制需要用到转速与风速之间的匹配关系，而这种匹配关系可以通过功率灵敏度因子来实现。
在变速控制中，需要控制风力机的旋转速度与风速匹配，使风力机输出最大功率。
对于某一给定的风速，通过计算相应的功率灵敏度因子，就可以得到与该风速相匹配的最优转速。
风力机输出最大功率的点称为风能利用极限，它对应的波比称为最佳波比。
在控制中，通过不断调整风力机的转速，确保风力机运行在最佳波比点，从而输出最大功率。
此外，在变速控制中，还需要考虑风力机的响应速度，即时间响应。
风力机的时间响应与功率灵敏度因子有密切关系。
当功率灵敏度因子较小时，风力机响应速度较快，但是需要更频繁地调整转速，从而增加控制复杂度和能耗；反之，当功率灵敏度因子较大时，风力机响应速度较慢，但是控制简单，能耗小。
额定风速附近变速变桨风力发电机组功率优化控制_蒋说东
要：详细分析导致功率波动和功率损失的原因， 提出一种转矩优化控制策略。该转矩优化控制方法结合查表
转矩输出形成滞环， 来抑制额定风速附近的功率波动； 采用基于转矩误差及误差变化率的桨距角模糊调节器， 实现 转矩和变桨控制解耦； 给出一种功率平均值限制算法， 可抑制阵风时 （包括额定风速以下和以上） 引起的转速短时
近年来， 风力发电机组 （WTGS） 运行控制技术
型， 根据 Bladed 提供的接口设计控制策略， 结合 C
最大限度捕获风能、 减小风力机载荷、 延长其使用 寿命、 抑制功率波动降低对电网的不利影响等方面 作用十分重要［1］。有关低风速区和高风速区的变速 但 变桨控制的研究已有很多并取得了较好效果［2~6］， 额定风速附近的控制较复杂， 还需进一步研究。文 献 ［7， 8］ 提出一种扩大过渡区的改进控制策略， 用 来消除额定功率运行点附近切换造成的功率波动 及突变载荷等不利影响。但过渡区范围选择直接 影响到控制改进的效果， 若选择范围较小， 难以消 除额定功率运行点附近切换造成的功率波动； 若选 择范围较大， 会降低低风速区的功率利用系数。文 桨距角及其变化趋势， 对转矩设定点进行修正， 可 有效抑制额定功率运行点附近切换造成的功率波 动和功率损失， 但控制算法较复杂。 本文结合查表法和非线性 PI 控制器， 提出一种 献 ［9， 10］ 通过划出一个全负荷最优控制区域， 依据
曲线轨迹运行， 此区间称为恒定 C P 运行区。由于在
沿着最佳 C P 电机组从切入风速的 A′(B) 点到 C′ 点，
EF′ 段， 此时转矩恒定不变而变桨距系统将开始工
作， 通过改变桨距角保持功率恒定。
或过渡区。当风速超过额定风速时， 风力机运行于
转矩优化控制策略， 能有效抑制额定风速附近的功 率波动。采用基于转矩误差及误差变化率的桨距
变速变桨风力发电机组的桨距控制及载荷优化
变速变桨风力发电机组的桨距控制及载荷优化何玉林;苏东旭;黄帅;任海军;陈真【摘要】The issue that how to reduce system overshoot and decreasewind turbine load for large variable speed variable pitch wind turbine over the rated wind speed is discussed. Because the wind turbine is strongly nonlinear, the pitch control strategy based on fuzzy-immune-PID controller is adopted to reduce generator speed fluctuation and improve power quality. Aiming at how to decrease the tower fore-aft vibration, tower side-side vibration and gearbox vibration of the wind turbine, corresponding control strategies such as pitch and torque damping filter and acceleration feedback are proposed. Finally, this paper uses Bladed external controller module to program and simulate. It's shown that the proposed control strategy can improve the dynamic characteristics of variable pitch control and reduce the load of key parts.%讨论了大型变速变桨风电机组在额定风速以上如何减小系统超调量以及降低机组载荷.根据风电机组的强非线性特点,采用基于模糊免疫PID的桨距控制策略,以减小发电机转速波动,改善功率品质.针对风电机组的塔架前后和侧向振动以及传动链扭转振动,提出了桨距、转矩阻尼滤波和加速度反馈等控制方式.通过Bladed外部控制器模块编程并进行仿真,结果表明所提出的控制策略能够改善变桨距控制的动态特性,降低关键部位载荷.【期刊名称】《电力系统保护与控制》【年(卷),期】2011(039)016【总页数】6页(P95-100)【关键词】风电机组;变桨距控制;振动;模糊免疫;阻尼【作者】何玉林;苏东旭;黄帅;任海军;陈真【作者单位】重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400030;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400030;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400030;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400030;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400030【正文语种】中文【中图分类】TM315;TM760 引言变速变桨风电机组在低风速时通过调节发电机转矩使风轮按照最佳叶尖速比运行，追踪最佳风能利用系数，风能利用率较高，高风速时通过变桨限制气动力矩，稳定功率输出，在并网过程中，变桨距控制还可实现快速无冲击并网。
一种变速变桨风力机功率优化控制方法[发明专利]
![一种变速变桨风力机功率优化控制方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/9ac3b56f83d049649a6658b9.png)
专利名称：一种变速变桨风力机功率优化控制方法
专利类型：发明专利
发明人：张文广,李腾飞,韩越,刘吉臻,曾德良,牛玉广,杨婷婷,胡阳
申请号：CN201610274408.7
申请日：20160428
公开号：CN105986961A
公开日：
20161005
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种变速变桨风力机功率优化控制方法。
其是在整个设计风速范围内对变速变桨风力机进行控制，当风力机在切入风速与额定风速之间运行时，采用变速控制方式，此时通过调整发电机电磁转矩，使风力机在最佳效率C下运行。
当风力机在高于额定风速之上运行时，变桨控制器投入使用，通过调节桨距角使最大功率输出限制在额定值；此时的转矩控制器为变增益控制器，其根据不同风况对应的转速值，设置不同的增益；极大减弱了由于阵风等的影响使风力机在短时间内产生很大功率输出的现象；其次在额定风附近对变桨控制器设置切换规则，避免了变桨控制器在额定风附近的频繁切换。
本发明延长了齿轮箱的寿命，保证了风力机在恶劣环境下的运行。
申请人：华北电力大学
地址：102206 北京市昌平区朱辛庄北农路2号
国籍：CN
代理机构：北京众合诚成知识产权代理有限公司
代理人：陈波
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数据驱动的变速变桨距风力发电机组功率优化控制
厢疲颍澹澹厢粒洌幔穑簦椋觯澹腼校颍 澹洌椋悖簦椋觯澹厢茫铮睿簦颍铮欤腼 停疲粒校茫？一起构成复合控制系统。前 馈通道得到的随机风速变化下桨距角变 化值，对风功率的输出起到补偿和粗调的 作用；反馈通道上，以全风速内最优功 率输出和电机转速与桨距角变化量最小 的多目标为预测控制滚动优化性能指标。 最终的功率输出由扰动前馈一ＭＦＡＰＣ反 馈的复合控制完成。由于复合控制器的 设计基于风场ＳＣＡＤＡ数据完成，因此可 满足不同工况下变速变桨距风力机的功 率稳定输出。
关键词：数据驱动；变速变桨距风力发电机；功率；优化控制
一、风力发电控制系统结构 风力发电机组的启动停止过程、并网 和脱网过程、风轮机在风速变化时的主动 对风和运行过程中必需的故障检测功能、 自动保护功能等，都必须要求实现自动控 制。为了能够使风电机组最大限度的捕获 风能并稳定不断的向电网提供高质量电 能。控制系统在其中发挥至关重要的作用。 此处讲到的风力发电机组控制系统不仅是 实现对风力机控制的核心单元，而且能够 对风场现场进行控制。控制系统具有监控 现场参数、实现自动发电控制及自动保护 现场设备等功能。对于风力发电机组来说。 其完整的控制系统由多种器件和单元模块 组成，如主控制器单元、并网控制单元、 远程通信接口电路、变桨距系统、现场监 控单元、风力机功率输出单元、异常情况 安全保护单元以及不同型号功能的传感器 等。每一个单元和模块都有各自的控制任 务和目标，包括采集现场信号的数据并进 行存储处理、实现Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ控制、变桨距 控制、偏航系统、转速控制、并网过程控 制以及停机过程控制等，控制系统的单元 模块均由组成装置来实现其功能。 二、风力机运行的动态特性 １风力机运行的多扰动特性 根据风力机的能量转换过程及原理公 式，风速对风力机的输出功率起到了关键 性的作用。但在实际风场的运行过程中， 其他因素如空气温度、大气压值以及气流 的扰动等也对风力机的运行产生影响。当 空气温度上升的时候，空气密度降低，间 接导致了风力机输出功率的下降，反之， 则会增大输出功率值。随着我国风电场规 模的不断增大，风电功率对电网的安全稳 定运行产生了一定的影响。事实上，风电 场大多建立在人口稀少的偏远地区，该地 区风资源丰富，有利于最大限度地捕获风 能。但偏远地区的电网结构及设备设施相 对落后，风电并网较大程度的受当地电网 节点电压的影响。除此之外，大气温度和 压力的变化、风机叶片表面积累的沉积物、
数据驱动的变速变桨距风力发电机组功率优化控制
数据驱动的变速变桨距风力发电机组功率优化控制风能是一种最具竞争力的可再生能源,近年来风力发电发展迅速,全球风电装机容量不断增加。
然而,快速变化的风速对风机的安全可靠性运行产生诸多影响。
针对高风电渗透背景下的AGC(Automatic Generation Control)及其频率稳定问题,大型并网风力发电机组运行控制机理和优化控制策略成为了风电领域的研究热点。
风的随机波动特性决定了风电系统存在非线性和强扰动性,风机模型很难被精确建立,基于模型的控制方法难以实现良好的控制效果。
因此,本文基于数据驱动控制方法,对变速变桨距风力发电机组功率优化控制问题展开了如下研究:(1)基于风力发电系统结构与现场SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)数据对变速变桨距风力机进行特性分析与控制策略研究,并采用实验室已有的小世界BP神经网络(Small-World BP Neural Network,SWBP)算法,结合数值天气预报信息对风速进行提前4小时的15分钟滚动预测。
风速预测性能评价结果表明,基于SWBP算法得到的预测风速精度高,适合于控制系统的信息综合。
(2)变速变桨风力机的MFAC-PID控制方法研究。
首先建立控制输入准则函数,实现最大风能捕获和平滑功率点跟踪的目标。
然后,通过在线I/O测量数据得到的时变伪偏导数(Pseudo-Partial Derivative,PPD),建立一系列等价局部线性化模型,实现无模型自适应控制(Model Free Adaptive Control,MFAC)算法。
最后,在同时满足MFAC和PID控制两者增量约束的条件下在线调整控制量,设计MFAC-PID控制算法,保证输出渐进稳定地跟踪设定值。
仿真结果表明,MFAC-PID算法保证了全风速范围内跟踪误差的收敛,完成了无模型且I/O数据为基础的动态控制,更好地实现了全风速下风力机的恒功率输出和稳定调节。
基于2种变速变桨距方法的双功率流风力发电系统功率控制
基于2种变速变桨距方法的双功率流风力发电系统功率控制朱瑛;程明;花为;王伟【摘要】在分析双功率流风力发电系统的工作原理及数学模型基础上,提出了基于此系统的2种变速变桨距功率控制策略,分别为功率PID变桨距及叶尖速比最大风能跟踪功率控制策略和转速PID变桨距及电流给定最大风能跟踪功率控制策略.分别建立了这2种功率控制策略的仿真模型,同时通过仿真比较了这2种控制策略的优缺点.仿真结果表明转速PID变桨距及电流给定最大风能跟踪功率控制策略控制相对简单,功率输出平稳,更适用于该新型双功率流风力发电系统.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2013(033)009【总页数】7页(P123-129)【关键词】双功率流风力发电系统;风电;桨距控制;最大风能跟踪;功率控制【作者】朱瑛;程明;花为;王伟【作者单位】东南大学电气工程学院,江苏南京210096;东南大学电气工程学院,江苏南京210096;东南大学电气工程学院,江苏南京210096;东南大学电气工程学院,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TM346;TM6140 引言双馈风力发电系统和永磁直驱风力发电系统是目前应用最广泛的2种变速恒频风力发电系统［1］。
这2种系统在理论与实际应用中各有优缺点：一方面，双馈风力发电系统可实现有功、无功的解耦控制，且变频器容量只需风机额定功率的1/3左右，但由于风力机转速较低，双馈发电机需要使用齿轮箱来增速，而齿轮箱易出现故障，导致系统维护成本增大；另一方面，永磁直驱风力发电系统发电效率较高，且省去了齿轮箱，增加了系统可靠性，但缺点是需要全功率电力电子变换器，且电机的体积重量都较大，设计安装较困难。
此外，传统的风力发电系统都通过变频器并网，使输出电能的谐波增加，对电网造成一定的污染。
同时由于风能的随机性，风力发电系统输入电网功率将随机变化，对大电网稳定性造成一定影响。
针对上述传统风力发电系统的一些缺点，文献［2-3］提出了一种基于电气无级变速器的双功率流风力发电系统DPF-WECS（Dual Power Flow Wind Energy Conversion System）。
变桨距风力发电机组变桨与功率控制策略
变桨距风力发电机组变桨与功率控制策略摘要：风力发电系统极容易受到风速、风险及空气密度等影响，为有效的发挥出风能资源获得持续稳定的风力发电，保障风电机组能够正常运行，本文将以分析风能资源特点为出发点，包括风能资源蕴含量大、分布较广、风能能力密度低、对环境污染较小等，主要探究风力发电机组变桨与功率的控制策略，并分析变桨距风电机组桨距调节过程，以此为建设风力发电项目、检修人员提供相应帮助和建议。
关键词：变桨距；风力发电机组；功率控制根据我国电力高发展要求，为实现2060双碳目标，需要大力发展可持续、无污染、环保的新型能源来替代现有的化石能源，其中风力能源作为新型能源的主力军，为促进电力系统发展发挥积极作用。
近几年随着风力发电技术在迅猛发展下，发电量和装机容量不断增加，然而由于风力发电主要特点是极容易受到天气影响变化，若不及时对风能资源加以利用就会消失等。
所以，需利用风电机组叶尖速比、转速以及恒功率等进行优化控制，促使能够在变化莫测的风况下安全运行，并充分发挥利用风能资源。
1.风能资源特点风能和其他资源相比之下存在以下特点：第一，蕴含量大、分布广泛。
根据相关数据资料显示全球风能资源约在1300KW3，可利用风能预估计为200亿KW3，是水能资源的10倍，每年发电量高达38KWh。
在我国风能资源相对丰富，经济开发量预估在10亿KW以上[1]。
第二，风能属于可再生资源。
与石油、煤炭等资源相比风能具有可再生特点，风能主要是太阳能引起的一种过程性能源，能够循环使用的同时不断补充，但风能无法储存，若不能及时将风能进行利用则会消失。
第三，风能对环境污染影响较小。
在利用风能过程中不会造成污染排放，但是在风力建设项目过程中会对植被形成破坏，在风力项目建设结束后可以通过补救措施将植被进行修复，弥补建设项目过程中造成的影响；风机叶片旋转光影会对鸟类歇息有一定影响。
第四，风能能量密度低，不同地区差异大、稳定性差；由于风能资源本身属于空气流动，且空气密度小，使得风能能量密度低；尤其是在部分地区受到地理位置影响，各个地区或统一地区在不同位置方面风功率能量密度差异明显；同时风能也会随着季节、温度、湿度引起风向、密度等变化。
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变速变桨距风电机组的全风速限功率优化控制
周志超 1，王成山 1，郭力 1，许伟 2，张彦涛 1，刘峻岐 2
(1．智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市 南开区 300072； 2．国电联合动力技术有限公司，北京市 海淀区 100038)
Output Power Curtailment Control of Variable-speed Variable-pitch Wind Turbine Generator at All Wind Speed Regions
风场弃风浪费清洁能源和投资，加剧了环境矛
1838
中国电机工程学报
第 35 卷
盾，已引起全社会广泛的关注[1]。为提高电网的风 电接纳能力，风电场应配置有功功率控制系统，具 备有功功率调节能力，能根据电网调度部门指令控 制其有功输出[9]。文献[10]将风电场功率控制系统 分为风场级及机组级 2 个层面，上层风场级控制接 收上级功率调度指令，分配后下发给各机组，变速 变桨距(variable speed variable pitch，VSVP)WTG 机 组控制则包含基于电磁转矩控制的转速控制和基 于桨距角控制的功率控制 2 个控制环。文献[11]建 立了以风电机组调节性能为排序指标的风电场限 出力控制序列，并基于此给出了风电场限出力有功 分配方法，VSVP WTG 的 WPCC 主要通过桨距角 控制实现。文献[12]采用变桨距控制，文献[13]则同 时采用变桨和变速控制，以实现 VSVP WTG 在全 风速范围内的功率平滑控制，但所述控制均需要频 繁的调节桨距角，并牺牲相当一部分发电量，更适 合于含有风力发电的 SA-PS。文献[14-15]提出一种 简单易实现的 VSVP WTG 功率控制的逆系统鲁棒 控制方法，以实现全风速工况下的机组输出功率的 稳定有效控制，但该方法同样是以变桨系统的频繁 动作为代价。文献[16]将风电机组 WPCC 的设计目 标概括为 4 点，即 WPCC 时不能导致机组停运、不 能影响机组的稳定运行范围、限功率定值变化时的 稳定可控性及不能影响正常功率控制时的发电效 率，并以此为评判标准，对 3 种 WPCC 策略进行了 仿真研究和评估，得出控制策略 C(较高风速时桨距 角控制，其他风速时桨距角和转速共同控制)的综合 控制效果最优的结论。可见，文献[10-11, 16]讨 论的 VSVP WTG 限功率控制均以调节桨距角来降 低风轮叶片捕获的机械功率，从而实现对输出功 率的控制，风轮转速被动的由转矩控制环确定。该 控制方法在实际 VSVP 风场中得到了广泛应用，本 文 称 之 为 传 统 限 功 率 控 制 策 略 (traditional wind power curtailment control，T-WPCC)，其关注的重 点是如何使风机输出功率精确的控制在设定值，而 没有考虑在全风速范围内，尤其是中低风速情况 下，如何尽量优化变桨距系统的运行工况，以及如 何在 WPCC 时尽量提高机组发电量。
ห้องสมุดไป่ตู้
控 制 相 结 合 的 新 型 限 功 率 控 制 策 略 (novel wind power curtailment control，N-WPCC)。理论分析和仿真结果表明， 与传统限功率控制相比，N-WPCC 优先进行电磁转矩控制， 再进行桨距角控制，能有效减少变桨系统的动作频率和动作 幅度，提高变桨系统的使用寿命，并能充分利用机组转动惯 量，在一定程度上提高发电量。同时，N-WPCC 的控制输 入为机组输出功率和电机转速，不需要可靠性不高的现场实 时测风数据。
关键词：风力发电；变速恒频；限功率控制；风力机转速控 制；桨距角控制；转动惯量
0 引言
近年，由于风速的随机性和间歇性，以及网源 建设间的矛盾，风场弃风限电现象越来越严重[1]。 据统计，2011 年全国平均风电弃风率约 12%，2012 年则高达 17%，在弃风现象严重的蒙东和吉林地 区，冬季供暖期限电比例甚至超过 50%[2-3]。
2. GuoDian United Power Technology Co. Ltd., Haidian District, Beijing 100038, China)
ABSTRACT: The pitch angle control has been widely used in the wind power curtailment control (WPCC) for variable-speed variable-pitch wind turbine generators (WTG). For power limitation above set point in high wind speed, the pitch control will be effective in controlling the output power and the rotor speed. However, this method does not make the best use of the turbines aerodynamic characteristics to optimize the operation conditions in middle and low wind speed. Based on analysis of the full-range WPCC operational characteristics, a novel WPCC (N-WPCC) strategy had been proposed through the combination of active turbine speed control and pitch regulation. Theoretical analysis and simulation results show that, through giving priority to the torque control than the pitch regulation compared with the traditional WPCC, N-WPCC can effectively decrease the frequency and amplitude of the pitch actor, thus to extend its operating life, and can also improve the power generation to some extent because of taking the full advantage of the turbines vast rotational inertia. In addition, the control input data of the proposed method are related with the output power and rotor speed rather than the wind speed.
献[22-23]通过主动软失速控制来降低定桨距变速 WTG 在高风速区的瞬态载荷，降低对后级变换器 和发电机的容量要求，提高机组可靠性，控制了机 组成本，但却是以牺牲高风速段的部分发电量为代 价，并降低了机组的极端生存风速。文献[24]则将 VSVP WTG 的全风速 WPCC 分为高风速区的桨距 角控制、中间风速区的转速自由运行控制、低风速 区的修正的线性斜率控制等 3 种模式，案例分析中 重点关注了 SA-PS 中风电的 WPCC 这一典型应用 场合；但所提控制方法需以精确的预测风速为输 入，同时，桨距角控制与转速自由运行控制 2 种模 式间的切换仅以转速为判断依据，比较简单，不能 很好地适应不同气动特性的风力机，且没有深入细 致地讨论各控制模式间的相互切换过程。
根据风速的 Weibull 分布曲线，风力机对应的 功率输出大部分时间都处于较低水平[22, 25]，对全风 速范围内，尤其中低风速下的风机 WPCC 进行研究 探讨是十分必要的。本文在 WTG 全风速情况下的 正常功率控制(ordinary power control，OPC)原理基 础上，分析讨论了 T-WPCC 的工作原理和局限性， 进 而 提 出 一 种 新 型 全 风 速 限 功 率 控 制 策 略 (novel wind power curtailment control，N-WPCC)。该控制 方案优先采用电磁转矩控制，进而控制风力机转 速，使其运行在合适的高速状态，必要时再启动桨 距角控制，优化了变桨系统的运行工况；同时将部 分弃风能量转化为动能存储在旋转风轮中，在适当 时再转化为电能输出，从而能一定程度上提高发电 量。以某偏远原住民小区的风柴储生物质 SA-PS 为 背景，对一台 1.5 MW 双馈 WTG 进行了模拟计算， 验证了所提控制策略的正确性。
第 35 卷 第 8 期 2015 年 4 月 20 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.35 No.8 Apr. 20, 2015 ©2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. 1837
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.08.002 文章编号：0258-8013 (2015) 08-1837-08 中图分类号：TM 614
KEY WORDS: wind power generation; variable speed constant frequency (VSCF); wind power curtailment control (WPCC); turbine speed control; pitch angle control; rotational inertia