变速恒频风力发电机组控制策略分析

力发电机组控制功能就是调节转子转速保证在风 是“ 直接速度控制” 。直接速度控制是将任一给定 速变化时 入 恒定在 Ｘ ｔ ｏ， ｐ 从而使 ｃ 值稳定在最大 推算出发电机所需 的最佳转速， 值， 风力机从风中获取最大风能 ； 当风速达到额定 根据测量的风速， 把测 风速 ， 风机 功率还 未达 到额定 功率 时 ， 风力发 电机 而实际上由于风速的不确定性及湍流等影响 ， 进入欠功率状态 ， 变桨距风力发电机组控制功能
叫 ：
低于额定风速时 ， 当风速增大时 ， 为使 值
稳定 在最 大值 ， 就必 须调节转 子转速 ， 之与变 化 使 的风速对 应 ， 证风 力机 能获取最 大风 能 。 保
１２ 控 制 策略分 析 ．
Ｒ： 示风轮半 径 表
：
：
表示桨 叶节距 角
风 力机功 率 ： Ｐ＝ＣＳ Ｉ １ ￣ｐ￣２ ，
对转速 的控 制是 通过 对发 电机转 矩 的控制 来
因此在额定 风 速 以下 ， 机 功率 还 未 达 到额 风 定 功 率时 ， 力发 电机 进 入 恒 状 态 ， 风 变桨 距 风
实现的。如何实现最佳转矩— 转速曲线跟踪 ， —— 采
取 两种控 制策 略 ， 种是 “ 一 间接 速度控 制 ”另 一种 ， 时刻所需要 的最佳 发电机转速设置为风 速的 函数 ，
就是 调节转 子转 速 保 证转 子转 速 恒 定 ， 超过 转 不
量的风速作为控制量是不准确的， 风速只能作为一 个参考值 ； 间接速度控制根据转子转速及最佳 比例系数计算出所需的转矩期望值 ， 以此作为变流 器给定转矩 。两种控制方法见图 ２图 ３ ， 。
子极限转速； 当风速继续增大达到或超过额定风
变桨制动和机械制动 同时作用 ， 迅速将转子转速 减至安全停机转速 ， 保障机组安全。不 同工况下 ， 机组控制 目 标和控制策略都不同， 本文 主要分析 正常运行工况下的控制策略。 变桨距风力发 电机组在额定功率点上的调节 不完成依靠叶片本身的失速性能 ， 而是靠改变节 桨角来调节， 因此在额定功率点上其输出功率保 持不变。其功率 曲线见图 ｌ 所示。
２ｍ ｓ叶轮半径为 ４ｍ， ５ ／， ０ 空气密度为 １ １ ｋ／￣ ． Ｓｇ ， ６ ｍ 额定功率为 １０ｋ ５０Ｗ。在变化的风速下 ， 应用 Ｍ ｔ ａ —
图 ５ 风力机风速和转速
图 ６ 输人功率和输 出功率
４ 结论
变速恒频风力发电能够通过转子转速的调节
参考文献
［］ 叶杭冶． １ 风力发电机组控制技术［ ］１ 北京： Ｍ ． 版． 机
ｌ ｐ ｔ ｅ ｅ ｅ ｔｉｄ ｐ ｎ ｅ ｔ ，ｃ ｎｒ ｌ ｕ ｃｉ ａ ｚ ｄ．Ｔ ｅ ｓ ｓ ｍ ｉ ｌｔｄ ｂ Ｔ Ａ ｄ ｔｅ ｏ ｋ ｆ ｃ ｅ ｅ ｄ ｎｌ ｏ ｔ ｎ ｔ ｎ ｉ ｒ ｌ ｅ ｏ ａ ｎ ｙ ｏ ｆ ｏ ｓｅ ｉ ｈ ｙ ｔ ｉ ｓ ｍ， ｅ ｙ ＭＡ Ｌ Ｂ ａ ｅ ｓ ￣ ａ ｎ ｈ ｓ ｌ ｉｎ ｒｓ ｌ ｓ ｏ ｓｔ ａ ｎｒｌｓｒｔｇ ｓｆ ｓ ｌ ． ｉ ａ ｏ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｔ ｍｕ ｔ ｈ ｃ ｔ ｔ ｅ ｙｉ ｅ ｉ ｅ ｏ ｏ ａ ａ ｂ
制， 必须控制风轮转速和能量转换低于某个极限
值 ， 持发 电机恒 定 的功 率输 出。 保
． 面通过 变桨 限制 功率增加 ， 大 了运行 的风速 ２２ 控 制策 略分析 扩 在 风速 一定 的情况 下 ， 改变 风 力 机 输 出功 要 范围。
２ １ 功率控 制 ．
率 ， 要控 制风 轮 的功 率 系数 ， 需 有两 种功率 控制策 略， 一是控 制发 电机 的电磁力矩 ， 通过 改变 电磁力
风速 为 ３ ｓ 额 定 风 速 为 １ｍ ｓ 切 出 风 速 为 ｍ／， ２ ／，
ｌ ／ｉｕ ｎ 软件对整个 系统的仿真， ａ Ｓ ｌｋ ｂ ｍ ｉ 结果 如下。 图５ 表示发电机转速随风速的变化而变化过程 ， 可见实现 了很好 的风速跟踪； ６表示发电机输 图 出功率随输入机械功率的变化而变化的过程 ， 通 过变桨实现 了恒功率输 出。
修 订 稿 日期 ：２Ｏ —１—３ Ｏ６ １ ０
风 速 （／） ｍ ｓ
作者简介 ：李 晓斌 （９３一） 男 ， １７ ． 硕士 ， 现从事制造业信 息化
图 １ 风速 一功率 曲线
和 自动化 研究。
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２ ２
应用能源技术 ．
２０ 年第 １ 期（ ０６ ２ 总第 １８ ０ 期）
械 工业 出版社 ，０２６ ． ２０ （）
实现速度控制来保证最大风能 的捕获， 通过变桨
控制来实现发电机组恒功率输出。系统能够充分 利用风能 ， 保持最佳工况 ， 极大地克服了传统恒速
恒频发 电 系统 的不 足 。
［］ ２ 王志华， 李亚西． 变速恒频风力发电机最大功率跟踪控
制策略的研究［ ． Ｊ 可再生能源， Ｏ， １ ： — ９ ］ ２ ５２ 扣）１ １． Ｏ （ ６
速 后 ， 力发 电机 进 入 恒 功 率状 态 。变 桨 距 风力 风
图 ２ 间接速度控制框 图
图 ３ 直接速度控制框图
２ 高于额定风速 时的功率控制
变速 恒频风 力发 电机 组 一方 面通过 变速增 加 了获取 的风能 ， 更多 的风 能转换 为 电能 ， 将 另一 方
续增 加 ， 风力机 能量 的 获取 受机 组 物 理 性 能 的限
Ｋｅ ｒ ｓ Ｖ Ｃ ｙ ｗｏ ｄ ： Ｓ Ｆ；ｗ ｎ ｏ ｅ ｅ ｅａ ｒ ｏ ｔ ｌｓ ｍｄ ｔ ｎ ｉｄｐ ｗ ｒｇ ｎｒｔ ；ｃｎｒ ｉ ａ ｏ ｏ ｏ ｒ ｉ
０ 引言
随着一次能源 的 日趋减少， 全球环境危机增
加。 许多 国家 开始 重视 可再生 能源 的研究 和发展 。
高于额 定风 速 时的功 率控制 环。转 速控 制环和 功 率控 制 环二者独 立 工作 ， 好 满足 了机 组 对 系 很
统控制功能的要 求， 仿真结果表明该控制策略可行。 关 键词 ： 变速 恒频 ； 力发 电 ； 制仿 真 风 控 中图分 类号 ：Ｋ９ Ｔ ８ 文献标识 码 ： 文章 编号 ：０９ ２ｏ２ｏ ）２—０２ —０ Ａ １０ —３３（０６ １ ０１ ３
功 率后 。 过调 整叶 片变桨 角 ， 发 电机 功率 恒 通 控制
功
盘
定； 停机工况下 ， 通过变桨制动将转子转速减至待
机转 速 。 现 零功 率 脱 网 ； 急停机 工 况下 ， 过 实 紧 通
０ ５ １ ０ １ ５ ２ ０ ２ ５
收 稿 日期 ：２Ｏ —１ —２ Ｏ６ １ ６
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２０ 年第 ｌ 期（ ０６ ２ 总第 １８ ０ 期）
・
应用能源技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
２ ｌ
变速恒频风力发 电机组控制策略分析
李 晓斌 （ 武汉数 字 工程 研 究所 ） 摘 要： 通过 分析 变速 恒频 风 力发 电机 组运 行 工况 。 建低 于额 定 风速 时的 转速 控 制 环和 构
Ａｂ ｔａ ｔ Ｂ ｎ ｌｓ ｆ ａｉ ｌ ｓ ｅ ｄ ｃ ｎ ｔ ｔｆ ｑ ｅ ｃ ｉ ｄ ｇ ｎ ｒ ｔ ｎ ｐ ｏ ｅ ｓ ｓ ｔｓ ｐ ｅ ｏ ｔ ｌ ｓｒ ｃ ： ｙ ａ ａｙ ｉ ｏ ｒ ｂ ｅ ｐ ｅ ｏ ｓ ｎ ｅ ｕ ｎ ｙ ｗ ｎ ｅ ｅａｉ ｒｃ ｓ ｔ ｕ ；ｓ ｅ ｄ ｃ ｎ ｒ ｓ ｖ ａ ａ ｒ ｏ ａ ｏ ｌｏ ｎ ｏ ｅ ｏ ｔ ｌ ｏ ｐ ａｅ ｃ ｎ ｔ ｃｅ ｃ ｃ ｏ ｐ ａ ｄ ｐ ｗ ｒｃ ｎ ｒ ｏ ｒ ｓ ｒ ｔｄ ａ ｃ ｏｌ ｏ ｕ ｔ ｉ ｄ ｓ ｅ ｄ，Ｓ ｅ ｄ ｃ ｎ ｒｌ ｏ ｐ ａ ｄ ｐ ｗ ｒｃ ｎ ｒｌ ｏｗ ｎ ｐ ｅ ｐ ｅ ｔ ｏ ｎ ｏ ｅ ｏ ｔ ｏ ｏｌ ｏ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌｓｒ ｔｇ ｆＶＳ ｓ ａ ｃ ｏ ｏ ｔ ｏ ｔａ ｅ ｙ ｏ ＣＦ ｎ ｅ ｒ ｔｎ ｅ ｗｉ ｄ ｇ ｎｅ ａ ｉ ｇ ｓ ｔ
Ｌ ｉｏ． ｂ ｎ ＩＸ ａ ． ｉ
（ ｈｎｖｏｔ ｂｌ啦盯 Ｉｓｔｔ， ｈｎ ４０７ ） Ｗｕ ａ ｉ ￣ ｇ ｊ ｎｔｕｅ Ｗｕ ａ ， ３０４ ｉ
对变桨距风力发 电机组 ， 其风力机特性 曲线 通常 由一簇风能利用系数 曲线来表示。
发 电机 组可 通过调 节 变桨角 和转子 电流使 输 出功 率稳定 在额 定功 率 。
ｃ ｐ＝八 。 ８
：
＝∞ ｜ ＲＶ
１ 低 于 额定 风 速 时 的转速 控 制
１ １ 转速 控 制 ．
表示 叶尖速 比 表示 风轮转 速 表示风 速
在 风力发 电机 组 处 于额 定 功 率 时 ， 风 速继 如
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２０ 年第 ｌ 期 （ ０６ ２ 总第 １８ ０ 期）
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应用能源技术 风力机的输入功率 ， 但风力发 电机组传动 系统载 荷增加 ， 调节范围窄 ， 影响机组寿命 。采用变桨基
本控 制方 法见 图 ４ 。
矩来改变风轮转速 ， 调节风轮的叶尖速 比； 其次是
改变 桨叶节 距角 以改变 空气 动力转 矩 。通过控 制
●
发 电机 电磁 力矩 ， 然 通 过 改 变 叶尖 速 比减 小 了 虽
图 ４ 功率控制框图
３ 仿真
假定双馈 电机的同步转速为 １ Ｏ／ ｉ， ５ ｆｒｎ 切入 ０ ａ
而风电在可再生能源中最成熟， 最具商业价值 ， 各 种风电机型相继问世 。 中以变速恒频风力发电 其
机组 最有代 表性 。变 速恒 频风力发 电机 组通过 改
变变桨角度来调节风力机转速 ， 通过调节转子绕 组励磁电流来调节发 电机的有功和无功 ， 从而保 证发电机 电能达到并网要求。 变速恒频风力发电机通常有待机 ， 正常运行 ， 停机和紧急停机等工况。正 常运行工况下， 转速 伴随风速的变化而变化 ， 在发电机功率达到额定
［］ 刘其辉 ， ３ 贺益康． 变速恒频风力发电机空裁并网控
制［］ 中国电机工程 学报 ， Ｏ，（４： — １ Ｊ． ２ ４３２）６ １． ０