風力發電系統運行控制技術研究

趙海軍

（中廣核風電公司 內蒙古分公司響泉風電場，內蒙古 錫林郭勒盟026000）

0 引言

在提倡可持續發展的今天，風能的開發利用具有積極的戰略意義。特別是在能源供求日趨緊張的情況下，風能作為一種替代能源的意義就更加突出。風力發電系統根據運行方式和控制技術的不同可以分為恒速恒頻系統和變速恒頻系統，其中變速恒頻風力發電系統能夠更高效地利用風能。

并網型變速恒頻風力發電系統一般由風輪、齒輪箱（在直驅方式中已略去齒輪箱）、發電機和變流設備組成，如圖1風力發電系統框國所示。風輪的作用是捕捉風能，并將之轉化為機械能；發電機則將機械能轉化為電能；變流設備將發電機發出的頻率幅值隨風速波動的交流電轉化為與電網電壓同頻同幅的交流電，然后饋送至電網。

圖1 風力發電系統框圖

風力發電系統主要包括2種運行狀態：

1）最大風能追蹤狀態。當風速低于額定風速時，風輪的轉速會隨著風速的波動而不斷變化，以維持最佳葉尖速比及最大風能利用系數，從而有效提高風機的輸出功率。

2）額定功率運行狀態，當風速高于額定風速時，通過調節葉片槳距角和抑制風輪轉速，降低風輪的風能捕獲效率，保證風機運行在額定工作點附近。

可見，風力發電機組的運行控制在不同的運行狀態有不同的控制策略：

1）最大功率點跟蹤控制（MPPT控制）：當實際風速低于額定風速時，對風力發電機組進行控制，保證機組運行在最大風能追蹤狀態下，最大限度地捕獲風能。

2）恒功率控制：當實際風速高于額定風速時，受機械強度、發電機容量和變頻器容量等限制，必須降低風輪捕獲的能量，使功率保持在額定值附近。

實際的風電機組常通過電氣功率調節和葉片技術2種手段實現上述控制目標。前者是通過調節發電機和變流設備的電氣功率來改變風輪的轉速，進而間接改變風輪轉化風能的效率；后者主要利用葉片的空氣動力學特性，如變槳距技術和失速狀態，來直接改變風輪的捕風效率。

下面，本文將對MPPT控制策略和恒功率控制策略的原理及它們常用的實現方法進行研究和總結。

1 MPPT控制

1.1 MPPT控制的原理

根據貝茲理論，風輪從風能中吸收的功率可以表示為：

式中：P 為空氣密度，kg/m3；R 為風輪的半徑，m；v 為風速，m/s；Cp為風能利用系數，反映了風輪機利用風能的效率，它是葉尖速比λ和葉片槳距角β的函數。而葉尖速比為：

式中：ωr為風輪機械角速度，rad·s。

當風力發電系統運行于最大風能追蹤狀態時，槳距角固定。此時，Cp的值決定于λ。對于特定的風力機，其Cp－λ曲線是一定的。

可見，當λ為λopt時風力機達到最大風能利用系數Cpmax因而稱λopt為最佳葉尖速比。由式（2）可知當λ為λopt時，不同的風速均對應一特定的最優轉速ωropt。

其中，各曲線最優功率點對應的轉速即為最優轉速ωropt。連接各曲線的最優功率點即得風力機最優功率曲線。

MPPT控制的原理即，在不同風速下通過調節風力機轉速使其始終運行于最優轉速。以保證最佳葉尖速比，進而保證風力機運行于最優功率曲線上，最大限度地捕獲風能。

1.2 MPPT控制的實現方法

MPPT控制一般采用電磁功率控制方式，目前最大風能跟蹤主要有3種控制策略：葉尖速比控制、功率信號反饋法和爬山搜索法。

1.2.1 葉尖速比法

葉尖速比控制的目的是使風力機的葉尖速比λ始終保持在最佳值λopt上，在任何風速時就可獲得最大風能轉換效率。它不斷測量風速和風力機轉速，計算出實際葉尖速比，將其同最優葉尖速比相比較，將其誤差送入控制器，控制器控制逆變器的輸出來調節風機轉速，從而保證葉尖速比最優。

該方案能有效根據風速變化及時調整發電機輸出功率，控制方法簡潔清晰，但是需要知 道風力機特性和測量風速，風速測量的不準確性導致系統可靠性降低。

1.2.2 功率信號反饋法

該方案不需要知道確切的風力機特性，也不需要相關的測風裝置。當風帶動風力機轉動至發電機發電運行的轉速范圍內時，根據轉速以及風力機特征參數計算出給定功率，并與發電機輸出功率的觀測值相比較得到誤差量。經過PI調節器（PI調節器），就是對偏差乘以一個倍數P，再疊加這個偏差的積分I作用，利用這個量實施控制，調節器輸出反饋參數，使系統趨于穩定）給出發電機可控參數值，調節發電機輸出電流的大小，最終實現發電機輸出功率的調節。

該方案是基于葉尖速比控制方案的修改提高方案，不同之處在于將輸出功率與風速之間的關系轉換成輸出功率與發電機轉速之間的關系，從而引轉速反饋，可使系統工作在最佳功 率負載線附近，而且系統結構更簡單、更可靠。

這種方法的缺點是：對于不同的風力機，最大功率曲線需要事先通過仿真或試驗測得，這增加了率反饋控制難度和實際應用成本。

通過控制發電機輸出功率來間接控制風力機的輸入功率，以實現需檢測風速的最大功率點跟蹤。也有文獻將功率信號反饋法與爬山法相結合設計了一種混合控制略，克服了功率信號反饋法的缺陷。

2 恒功率控制

2.1 恒功率控制的原理

由1.1節可知，Cp是葉尖速比λ和葉片槳距角β的函數典型Cp（λ，β）曲線。

可知：1）當λ為恒定值時，增大槳距角β則Cp減?。t色虛線所示）；2）當λ為恒定值時，λ偏離最佳葉尖速比λopt時，Cp迅速減小。

恒功率控制的原理即，當風速高于額定風速時，通過調節葉尖速比λ或槳距角β（或同時調節λ和β）以減小Cp值，從而減少風力機捕獲的風能，保證風力機處于額定功率運行狀態。

2.2 恒功率控制的實現方法

額定風速上的恒功率控制的實現方法主要是葉片技術，應用較廣泛的是定槳距失速控制和變槳距控制。

2.2.1 定槳距失速控制

該控制方式利用槳葉翼型本身的失速特性，在高于額定風速下，氣流的功角增大到失速條件，使槳葉的表面產生紊流，風輪轉速減小，導致葉尖速比減小，即降低風能利用效率，達到限制功率的目的。采用這種方式的風力發電系統控制調節簡單可靠，但為了產生失速效應，導致葉片重，結構復雜，機組的整體效率較低，當風速達到一定值時必須停機。

2.2.2 變槳距控制

該控制方式通過調節風葉的槳距角，改變氣流對葉片功角，從而改變風輪獲得的空氣動力轉矩，使得當風速高于額定風速時風力發電機輸出功率保持恒定。

風力發電系統是一個涵蓋面廣，控制對象復雜的非線性隨機系統，因而其變槳距控制是一類非線性多變量控制問題。 變槳距控制策略有傳統的PI控制及其改進控制策略，也有先進的智能控制，例如模糊控制、滑膜控制、非線性魯棒控制和基于神經網絡的控制等。

PID控制雖然結構簡單，但是對于不同的風機需要進行大量的重復實驗才能確定最優的PID控制參數，并且當風機運行偏離平衡點時，其控制性能嚴重降低甚至會導致系統不穩定。

許多學者將模糊控制法用于設計變槳距控制器，取得了較好的控制效果。此外，非線性 魯棒控制、滑膜變結構、神經網絡、變論域自適應模糊等先進控制策略也在變槳距控制中得到應用。

3 結論

風力發電是一個廣泛的領域的研究前景，人們繼續增加他們的重視程度，及其相關領域正在發生著日新月異的變化。風力發電系統的運行控制策略對系統效率，安全性和供電質量有直接關系。 MPPT控制，最優控制，基于智能控制的最大功率點跟蹤控制策略將是未來的發展方向。通過經典的控制，以先進的智能控制，恒功率控制的控制處理的對象的局部線性化方法研制而成的線性控制，更好地整合系統的非線性特性，提高控制器和系統控制的魯棒性的效果。