变速恒频风力发电机最大功率

6 ) *78）。从 3 点开始，风力机组的变桨系统开始运
行工作，一是为保证在旋转部件的机械强度范围之
内而留出一定的裕度，二是在变桨时，可以随高频
风速的变化，迅速调整转速从而吸收瞬变的风能。
随着风速的继续增加，节距角逐渐增大，同时
转速也在缓慢增大，发电机功率也在继续上升，由
于在高额风速下风力机转速保持高速运行，相比
（!:）
式中参数 N!/，N!!，N!.，N!> 为通过试验得出的。 最大转换效率公式为
#BJKCN./RN.!2M,IDRN.（. 2M,ID）.RN.（> 2M,ID）> （!0）
式中参数 N./，N.!，N..，N.> 为试验得出的。 通过功率环的控制，不仅可以提高机械功率
到电磁功率的转化效率，而且还可以使转速跟踪 最佳风速O功率曲线，使系统获得良好的动态特 性和稳定性。在高风速运行时转速仍然能够变化， 可以增加系统的柔性和吸收瞬变的风能；通过内 环电流的控制实现了有功和无功的解藕，实现有
制策略主要是进行最佳叶尖速比 ",ID 控制和双馈 电 机 输 入 功 率 F67 和 输 出 功 率 F,4D 之 间 的 最 大 转 换效率 #BJK 的控制。
叶尖速比公式为
.%#$ P#
"C
C
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（!.）
所以根据公式（!）得到下面公式：
F67C
! .
NIQ’&> C
! .
&>#> NIQ’ ">
目前，国内对变速机组的研究还处在初级阶 段，尤其在最佳叶尖速比控制和变桨系统控制等 方面进行实际的研究还很少。本文通过一定量的 试 验 、仿 真 和 考 察 ，提 出 了 一 种 功 率 、电 流 双 闭 环 的控制策略。 " 风能的特性
风力机实际得到的功率与风速的三次方成 正比
收 稿 日 期 ：.//BD/CD!= 基 金 项 目 ： 国 家 高 技 术 研 究 发 展（<"= ）计 划 子 项 目（.//=’’0!./..D.） 作 者 简 介 ： 王 志 华（!>C<D），男 ，硕 士 研 究 生 ，从 事 风 力 发 电 及 电 力 电 子 与 电 气 传 动 技 术 研 究 。
=>%,’&(,： AFT,4LF QF5 SFGTGSQ5T63Q6S G7G8W363 ,R Z67O 575TLW SGTT65O ,4Q?QF5 T535GTSF G7O G7G84363,7 VGQF[3 V,O58 ,R QF5 K\@? ]W 5H^5T6V57Q3?GO_G7S5O G S,7QT,8 3QTGQ5LW Z6QF O,4]85 S8,35O 8,,^ 435O 67 @& _GT6G]85 3^55O S,73QG7Q RT5‘457SW O,4]8DR5O Z67O L575TGQ,T3 67 ,Ta O5T Q, V55Q ,^Q6VG8 Q6^D3^55O TGQ6, G7O QF5 VGH6V4V 5RR6S657SW ,R V5SFG76S,8 ^,Z5T- ’Q 8G3Q QF5 3W3Q5V ZG3 ]5 36V48GQ5O ]W @’A)’( G7O 6Q3 R5G36]686QW ZG3 Q53Q6R65O?$/ 6*’<%： _GT6G]85 3^55O S,73QG7Q RT5‘457SW； O,4]8W DR5O Z67O； L575TGQ,T； ,^Q6VG8 Q6^ D 3^55O TGQ6,
#$%$&’() *+ (*+,’*- %,’&,$./ *0 1&23141 5*6$’ 5*3+, ,’&(73+. *0 89:; 63+< .$+$’&,3*+
&’%* EF6DF4G!，.，)2 +GDH6!，EI’J K,7LD86!，*MJ N67DO,7L!，PM I,7LDF4G! （!-273Q6Q4Q5 ,R $85SQT6SG8 $7L6755T67L UF67535 ’SGO5VW ,R XS657S53，(56N67L !///</? UF67GY .*TGO4GQ5 XSF,,8 ,R QF5 UF67535 ’SGO5VW ,R XS657S53，(56N67L !///=>? UF67G）
" 双馈电机的数学模型和双闭环控制策略
根据风能利用率公式可以得到 @=.>。在额定风 速以下，风速决定给定的功率，从而得到给定的转
速及转矩。在额定风速以上，@=.> 为发电机的最大 功率 @*45。低频风速的大小又决定了给定变桨系 统的参考节距角。控制系统框图和变桨控制框图
如图 A、图 % 所示。
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子电流 6D!，6B! 了。
三闭环的控制框图如图 H 所示。
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ut2 um2 2r/2s
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2s/3s
2s/2r ir 3s/2s
失速型风力发电机能够更多地吸收风能。到达 -点
后，发电机功率达到了额定输出功率（;$$ ’<），转
速也几乎达到了机械极限（! +%$ 6 ) *78），在 -?
段，发电机将沿着 ;$$ ’< 的功率曲线运行，其转
速基本上稳定在 ! +$$ 6 ) *78，直到 ? 点风速达到
## * ) , 的 切 出 风 速 ，风 力 机 系 统 顺 桨 停 机 。
C F,4D #BJK
（!>）
式中：#— ——发电机浆叶的半径，B；
&— ——风轮的角速度，@JL G 3；
$— ——风轮的转速，@ G 3。
通过试验得到：对于一定的输入功率 F67，控
制和优化转子电流幅值 2M 使电机输出功率 F,4D 最
大。转子优化电流幅值
2 ,ID M
的公式如下A
2M,IDCN!/RN!!F,4DRN!.F,4D.RN!>F,4D>
近于）最佳值，从而最大限度地利用风能。图 # 为 最佳功率—转速曲线图0#1。
图 $ 最佳功率—转速曲线图
! 变速恒频风力发电机组的控制策略 风力机在不同风速下有若干种可能的控制
方式。变速运行的风力机的工作点是由若干条曲 线组成。如图 + 所示，在额定风速以下的 23 段曲 线运行在 -.*45 曲线上。
研究与试验
#$%$&’()$ $%$#*+ %,-. .//0 1!./ 23345 67 ’889
变速恒频风力发电机最大功率 跟踪控制策略的研究
王志华 !，.，李亚西 !，赵栋利 !，郭金东 !，许洪华 ! （!-中国科学院 电工研究所，北京 !///</；.-中国科学院 研究生院，北京 !///=>）
子磁链矢量 !! 为定向矢量，在同步旋转 ;—< 坐 标系中建立双馈发电机的数学模型。目前这个模
型 在 国 内 外 都 有 提 出=>?，所 以 在 这 里 我 们 只 做 简
单介绍。
!4B!C@!6B!RI!B!O!D!P! 4D!C@!6D!RI!D!R!B!P!
（.）
!4 B.C @ .6 B!.R I ! B.O ! D .P 3
摘 要：分析了风能的特性，对双馈电机数学模型进行了分析与研究，在试验的基础上，基于最佳叶尖速比控 制（即风能最大利用率）和机械功率最大转化效率控制?提出了兆瓦级变 速 恒 频 双 馈 风 力 发 电 机 组 双 闭 环 的 一 种控制策略方案，并用 @’A)’( 软件进行系统仿真，证明该方案是可行的。 关键词：变速恒频；双馈电机；最佳叶尖速比 中图分类号：A@"!B 文献标识码：’ 文章编号：!"C!D0.>.（.//0）/.D//!"D/B
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图 " 控制系统总框图
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研究与试验
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图 " 变桨控制框图 本文提出了一种双闭环变速恒频风力发电
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图 ! 三闭环的控制框图
:-. 功率环的建立 下面主要讨论一下最外环（即功率环）。此控
变 速 发 电 机 组 的 优 点 ：在 低 风 速 时 ，转 速 能 够 根 据 风 速 的 变 化 而 变 化 ，这 样 就 可 以 保 持 最 佳
叶尖速比，保持最大风能吸收系数，获得最大限度 的风能；在高风速时，风轮的转速仍然跟随风速的 变化而变化，吸收瞬变的风能；提高了传动系统的 柔性以及发出电能的质量。
的 密 度 为 客 观 环 境 所 定 的 情 况 下 ，影 响 功 率 输 出
的唯一因素即为风能利用系数 -.，-. 的大小主要 由叶尖速比 # 和节距角 $ 决定。当风速在额定风
速以下的范围变化时，风轮不做变桨控制，-. 的 大小主要决定于 #。若允许风力机做变速运行，则
能达到更好地利用风能的目的。这是由于风力机
4 D .C @ !6 D .R I ! D .R ! B.P 3
（>）
!!B!C836B!R8B6B.
! D !C836 D!R8B6 D.
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（0）
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（H）
在忽略 @! 的情况下，以定子磁链定向时可以 得出如下方程A
图 ! 发电机的不同风速下的运行方式
在这里我们假设采用双馈电机同步转速为
! $$$ 6 ) *78，调速范围为（9+%:），额定功率为 ;$$
’<。23 段为风力机并网后在额定风速以下的运行
情况，此时保持最佳叶尖速比 #=.>，即保证最大风能 利用率系数 -.*45，转速沿着 -.*45 曲线随着风速的增 大而增大，直到 3 点（此时电机转速大约为 ! #%$
!"
可再生能源 #$$%&#（总第 !#$ 期）
研究与试验
! @*B # -./!"+
（!）
式中：!— ——空气密度，’( ) *+；
"— ——风速，* ) ,；
-.— ——风能利用系数； /— ——风力机浆叶的扫掠面积，*#。
由 公 式（!）可 知 ，在 浆 叶 大 小 固 定 、风 速 和 风
的输出功率系数 -. 在某一确定的叶尖速比（叶轮 尖的线速度与风速的比值）下达到最大值，如图 !
所示。
图 # 风能利用率—叶尖速比曲线 变速恒频风力发电系统的特点是风力机和 发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输 出 电 能 的 频 率 。 由 于 风 力 机 的 转 速 可 变 ，可 以 通 过 适 当 地 控 制 ，使 风 力 机 的 叶 尖 速 比 处 于（或 接
! 引言 在 风 力 发 电 系 统 中 ，当 风 力 发 电 机 与 电 网 并
联运行时，要求风电的频率与电网频率保持一 致 ，即 频 率 保 持 恒 定 。 实 现 发 电 机 恒 频 的 方 式 有 恒速恒频和变速恒频。恒速恒频是指保持发电机 转 速 不 变 ，从 而 得 到 恒 频 的 电 能 ；变 速 恒 频 是 指 发 电 机 的 转 速 可 随 风 速 变 化 ，而 通 过 改 变 转 子 励 磁电流的频率来得到恒频电能。变速恒频风力发 电 机 组 的 相 当 一 部 分 采 用 了 双 馈 电 机 ，在 转 子 侧 实现能量的双向流动:!;。
控 制 策 略 。 内 环 为 传 统 的 转 子 电 流 环 ，外 环 为 功
率环。
:-! 电流环的建立
转 速 环 和 电 流 环 电 机 矢 量 控 制 模 型 ：采 用 矢
量 变 换 可 实 现 机 电 动 力 系 统 的 充 分 解 藕 ，从 而 使
交流电机达到直流电机的控制性能。本文采用定
!B!C!!
பைடு நூலகம்（S）
4D!CE!
（"）
! D!C4B!C/
（T）
因为定子绕组接于无穷大电网，所以 E! 恒定
不 变 。 F!!C/，!!CE! G &!C常 数 。 可 以 得 出 方 程 ：
6
B!C
!! 83
O
8B 83
6
B.
（!/）
<5BCO7I
8B 83
!!6 @.
（!!）
由此可知，只要控制了 6D.，6B. 就可以控制定