兆瓦级风机功率控制算法

一 基本原理分析

对于变速变桨距风力发电机组，当风速在额定风速以下时，通过控制发电机的电磁转矩，实现对风力机的转速控制，使风力发电机组获得最大的风能利用系数；当风速高于额定风速时（此时发电机转矩为额定转矩，值恒定），通过变桨减少风轮吸收的功率，使输出功率恒定。当然，由于变桨驱动系统不能跟随上快速变化的风，因此允许发电机转速瞬时升高，将瞬变的风能以风轮动能的形式存储起来，风速降低时，再将动能释放出来，从而使输出功率恒定（此时，风能被捕获，但是没有被完全转换成电能）。

如图1所示为风力机在不同风速下的转矩-速度特性曲线，图中ABCFGHL 曲线为变速变桨距控制的理想曲线，其中，AB 段为风机达到启动风速的启动阶段，BCFG 阶段为在额定风速以下追求最大风能利用系数Cp 的阶段，HL 为在额定风速以上的恒转矩控制阶段，其中QR 和S5为风力发电机组受机械及电子器件限制的转矩和转速极限（实际上也就是额定转矩和额定转速），L 点为额定功率点，D 、E 点显示了风机受到扰动而偏离最优Cp 曲线的情况。

最优Cp 曲线

风速

转矩极限

转速极限

ABCFGHL 线：控制目标曲线

HL ：恒转矩控制

AB ：风机启动

BCFG ：最大Cp D/E ：扰动

图 1功率控制策略

变速风力发电机组在额定风速以下时，可以控制叶轮转速随风速成比例调节，所以风速变化时可以维持最佳叶尖速比不变。在这个叶尖速比下，风能利用系数Cp 最大，可以实现最大的风能捕获（此时桨距角设定为最小）。随着风速的进一步增大，为了捕获更多的风能，需要增大转矩和功率，而保持转速不再增大，如GH 曲线。当风速继续增大时，允许发电机转速升高，将瞬变的风能以风轮动能的形式存储起来。

一，功率控制查表控制算 据发电机的功率：

e P T ω=∙实际

ω实际一—发电机转速，rad/s; e T 一—发电机扭矩，Nm;

在主控系统中（图2）通过对发电机转速的实时监测，按下表（表1）对发电机的转距进行设定，使发电机的电磁转距实时跟踪控制程序中的设定值，从而实现在低于额定风速下的最大功率跟踪。以风轮半径R=38.5m,齿轮箱速比G=104，控制风力发电机转速运行范围1200rpm至1700rpm.。

在控制过程中，可以显示要控制的发电机转速和扭矩的曲线。如图3所示

图3 发电机转速和扭矩的曲线

查表控制是广泛采用的控制方法，控制比较容易实现，但是在风频变化较快时候，容易产生偏差，并引起机组的振动。

二，最优控制（双PI）功率控制算法

主控PLC软件功率控制功能块采用了扭矩控制和变桨控制相耦合的方式。在风速远小于额定风速以下时，通过扭矩控制以维持最佳叶尖速比，以追求最大风能利用系数；在额定风速以上拐点处，如果风速波动很大，那么就要通过适当的变桨来实现平滑的过渡。在额定风速以上阶段，变速和变桨控制器也是同时发挥作用，通过变速即控制发电机的扭矩，使其恒定，从而恒定功率。通过变桨来调整发电机的转速，使得其始终跟踪转速设置点。实际上，变速变桨通过简单的的PI控制器（如上面提到的查表功率控制算法）就可以实现，但是，额定风速以上风机系统模型的强烈非线性使得控制器参数选择比较困难，需要特别设计。变速变桨两个控制器是同时运行的，为了使它们耦合在一起，当在远远超过额定风速以上或以下时使其中一个或另一个控制环饱和。因此，在大多数时间里还是只有一个控制器处于激活状态，但是在接近额定点时它们可以建设性地相互作用。

功率控制结构如4所示，在变速（扭矩）控制中，输入参数为发电机实际转速以及目标转速（目标转速根据发电机的不同运行进行设定），输出为发电机扭矩指令；在变桨控制（耦合了变速控制）中，输入为扭矩指令（由变速控制得到）、发电机实际转速和实际桨距角，输出为变桨系统桨距角。

扭矩控制

图4功率控制框图

功率控制功能块主要包括以下几个控制流程（如图4），各流程之间顺序执行，没有内外环之分：最小桨距角限制计算、发电机转速二阶IIR滤波、扭矩限制值计算、额定风速下

的扭矩PI 控制、额定风速以上桨距角位置控制（PI耦合控制）。其中，对发电机转速进行滤波主要为了消除风剪切和塔影效应对变桨位置控制器的影响。

三，MITA查表控制与Hollysys最优控制比

在实际不同的风力机制造商使用的控制算法有很大不同。控制器细节可能显著影响机组的载荷和性能，我们专门为用户定制开发任何期望的控制算法来设计控制器。控制器进行以下任务叶片变桨和电机扭矩在整个运行范围内的控制，包括正常发电，正常和紧急停机，启动，空转，和停机状态等，以及轴刹车和电机接触器控制机舱偏航控制等。

在BLADED可以用软件中的内部控制器，对两种长用的控制算法进行稳态比较，结果做图5,6所示：

图5功率曲线

C曲线

图6

p

从图中我们可以看到最优控制的功率曲线比查表法要好，很明显，最优控制让风力机停留在最佳的区间要大于查表法控制。