風力發電機組的恒功率控制算法研究

摘 要：功率控制算法是整個風力發電機組核心的控制算法，是保證風機能正常穩定并網發電的關鍵算法之一。本文討論了在低、中風速區間通過調節扭矩，在高風速區間通過使用變槳控制來實現恒功率控制，并通過模型仿真來驗證這一策略的可行性。實驗證明通過對各風速區間實施不同的功率控制方法可以實現恒功率控制，以達到風能的最大利用化。

關鍵詞：恒功率控制；PI；轉速；扭矩

1 概述

近年來，化石能源的日趨枯竭和日益嚴重的環境污染引起了全世界的廣泛關注，許多國家投入大量資金和人力進行新能源的開發，而其中風能作為清潔能源的代表，因其具備大規模商業開發的潛能而備受矚目。由于風電機組的裝機容量大幅增加，因此如何能提高風能的利用率顯得尤為的重要。由于風能的隨機不確定性以及風輪機自身特性使風電機組的發電功率、風輪轉速等隨風速變化而波動，降低了風電機組發電效率和輸出電能質量[1]。因此本文將針對各風速區間的風能特點通過不同的控制策略[2]來實現對風力發電機的恒功率控制，以能最大的捕獲風能[3]。

2恒功率控制算法總述

風力發電機組利用發電機及其空隙中可以傳遞任意大小（有限制）扭矩的變速傳動器來實現可變速運行。扭矩控制有較高的帶寬，因此所需扭矩可以在很短的時間里得到滿足。在低風速時，葉輪速度是通過改變發電機扭矩以捕獲最大能量而進行控制的。在中風速時，當達到額定轉速時，需要動態調節扭矩以保證葉輪轉速在額定值。在高風速時，扭矩達到額定值，開始使用變槳控制以保證葉輪轉速在額定值。為維持額定功率，扭矩需要根據額定點附近的速度變化反向地調節，于是設計了一個阻尼濾波去給所需扭矩疊加紋波以抑制傳動系統的振動。

3 分階段控制

3.1額定風速以下

為了提高風力發電系統的效率，在額定風速以下時需要通過發電機扭矩的調節以改變風機轉速，使風機運行在最優葉尖速比狀態，以捕獲最大風能。

忽略傳動系統能量損耗，當發電機扭矩與測得的發電機速度的平方成正比就能達到最優工作條件。即。其中 。為空氣密度，R為葉輪半徑，為期望葉尖速比，表示葉尖速比為時的功率系數，G為齒輪箱變比。如圖1所示，算得的最大功率系數在槳葉角度在0°時取到。

由于慣性，葉輪不能跟隨風速變化很快地改變速度，因此不可能總是維持最大功率系數。然而上述策略在葉輪不是太重時是合理的。

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3.2額定風速區

當轉速達到最大值時，利用一個PI（比例加積分）控制器根據發電機轉速調節給定扭矩來維持最大速度。該控制器的增益可以通過線性控制器設計技術算得。葉輪速度最好是在額定點附近點附近有些波動，這比把速度固定在額定點能更柔地響應扭矩和功率的緩慢波動。這可以通過選擇合適的PI增益[4]來實現。同樣，最小速度也可以通過這個PI控制器來限制。在最大最小速度之間，這個PI控制器根據下面提到的轉速-扭矩工作曲線進行輸出。

PI控制器的拉普拉斯形式為：

其中Kq是比例增益，Tq是積分時間常數。積分增益是Kq/Tq。這里采用一個低通濾波器來減少控制器對于高頻干擾的敏感性，即：

當達到最大扭矩時，為了維持恒定轉速，槳距角給定開始變化以響應發電機轉速。這是通過第二個PI控制器實現的。

變槳PI控制器的增益根據工作點而變化，因為在高風速時空氣動力矩對于槳距角的敏感性比額定風速時大得多。這可以通過基于槳距角的增益調度技術實現。可以通過增益調度的調節來確保在整個從額定到切出風速范圍內均有好的響應和足夠的穩定裕度。變槳控制器的拉普拉斯形式為：

其中K是比例增益，Ti是積分時間常數。增益K可以根據當前槳距角通過對某些極限情況下槳距角的逆增益進行先行插值而來。積分時間常數也可以通過當前槳距角確定。

比例增益可以進一步利用速度誤差及其導數（發電機加速度）的乘積來修正。這樣設計的非線性反饋ID使得它使用得非常少，只有當速度快要達到超速極限時才起作用，此時它能夠減少瞬時負載。比例增益乘上一個由查找表插值而來的因子，該關系如圖2所示。

被測發電機速度通過三個濾波器才被用來變槳控制。用一個低通濾波器來減小高頻信號的沖擊。有兩個V型濾波器；第一個阻止3P頻率分量，第二個用來覆蓋6P和傳動系統頻率。這兩個V型濾波器的形式是：

與槳距角PI控制器并行的是一個附加的槳距角給定，它是通過把前后向機艙加速度傳給一個合適的濾波器而得來的。它的目的是主動地抑制塔的前后向擺動。被測機艙加速度通過兩個二階濾波器，第一個是在3P頻率處的V型濾波器，第二個調節信號的增益和相角以使得第一個塔模態達到最佳阻尼比。

既然變槳控制器和扭矩控制器都想把轉速控制在同樣的工作點，所以有必要

執行一些邏輯控制，以使得在超過額定轉速時不用扭矩控制器，而在低于額定轉速時不用變槳控制器。實現過程如下：兩個控制器并行工作，但是在變槳控制器中裝有附加扭矩器件使其在額定轉速下飽和在微調狀態，并且在較低扭矩極限處有一個“棘齒”以確保給定扭矩在槳距微調狀態沒有達到時不能下降。也用一個二階低通濾波器來減少附加扭矩控制器對于高頻干擾的敏感性。這個技術確保：

當扭矩低于額定值時，變槳系統飽和在微調狀態；

當變槳系統在微調狀態之上時，扭矩飽和在額定值；

如果風速迅速上升到額定值，當扭矩達到上極限時，變槳系統開始工作以抑制暫態的超速；

風速暫減時扭矩保持在額定值：葉輪動能保持額定功率，在額定風速周圍及以上時，阻止頻繁的功率跌落。

3.3 額定風速以上

在額定風速以上時，風力發電機組的功率波動過大會導致風電機組機械和電氣部件的損傷，因此設計良好的恒功率控制策略非常重要。在額定風速以上，發電機扭矩幾乎保持為常數，這意味這傳動系統的任何扭轉振動都會有很低的阻尼。可以存在這個振動模態的很顯著的激勵，它能夠以對應于第一個傳動系統模態的頻率向齒輪箱施加很大的振蕩扭矩。對于這個風力機，第二個塔的邊-邊模態也引起這些振動。這些扭轉振動可以通過對發電機扭矩給定增加一個附加項來抑制，在共振頻率處加一個小紋波給扭矩和功率；這能夠顯著地減少齒輪箱載荷。該附加項是由測得的發電機轉速通過一個適當的濾波器變化而來。

使用了一個連續的帶通濾波器，它串聯一個二階V型（陷波）濾波器。這個濾波器在離散時間域中設計，以離散傳遞函數實現出來。為了這個特別的實現，該濾波器被轉化為一個連續的帶通濾波器，該濾波器在采用雙線性或者Tutsin近似法離散化后與其有相同的傳遞函數。

在超過額定風速時，并不是保持扭矩（在疊加阻尼項之前）恒定，應該根據葉輪速度反向變動它，以保持恒定功率而不是恒定扭矩。盡管這使得速度控制有點不穩定的效果，但對齒輪箱扭矩并沒有不利影響，因此這里采用的策略使得電功率質量提高了。

4轉速-扭矩工作曲線分析

在發電機最小速度（1000rpm）到額定速度（1780rpm）區間內，轉速-扭矩工作曲線如圖3所示。

如圖3所示，在轉速-扭矩工作曲線A-B段中采用扭矩PI控制，即通過調節發電機扭矩來獲得最大能量。

在B-D段采用控制。忽略傳動系統能量損耗，當發電機扭矩與測得的發電機速度的平方成正比就能達到最優工作條件。其中 。為空氣密度，R為葉輪半徑，為期望葉尖速比，表示葉尖速比為時的功率系數。C點對應的轉速，由于A-B段和D-E段的PI控制一直在起作用，所以要想在B-D段使扭矩和轉速符合就需要添加一定的判定條件：當實際轉速時，轉矩取A-B段通過PI控制計算出的和通過計算出的中的最大值，實際上這時取到的值就是滿足的轉矩值；當實際轉速時，轉矩取D-E段通過PI控制計算出的和通過計算出的中的最小值，實際上這時取到的值還是滿足的轉矩值。這樣做就能保證在B-D段轉速和扭矩的關系滿足，從而獲得最大能量。

當達到額定轉速，且風速小于額定風速點（當風速達到額定風速點時，扭矩值為）時（即圖3中的D-E段）， 采用扭矩PI控制器，根據發電機轉速調節給定扭矩來維持最大速度。轉速最好是在額定點附近有些波動，這比把速度固定在額定點能更柔地響應扭矩和功率的緩慢波動。

當達到最大扭矩時，為了維持恒定轉速，采用變槳PI控制器（即圖3中點E所在的那條斜線），調節槳葉角度以響應發電機轉速[5]。變槳PI控制的限定條件，GH算得變槳PI控制的最大、最小值的限定條件為即變槳PI控制始終控制扭矩的取值在算得的扭矩額定值的0.94～1.06倍之間。

既然變槳控制器和扭矩控制器都想把轉速控制在同樣的工作點，所以有必要執行一些邏輯控制，以使得在超過額定轉速時不用扭矩控制器，而在低于額定轉速時不用變槳控制器。在圖3中，即要在E點作解耦操作，具體做法如下：若風速大于額定風速，則通過變槳PI控制調節槳葉角度來控制轉速；但當槳葉角度調節到0°時，則采用扭矩PI控制。即解耦操作時根據槳葉角度是否為0°來進行操作的。

可見，在超過額定風速時，該算法并不是保持扭矩恒定，而是根據葉輪速度反向變動它，以保持功率恒定。

結語

風電機組恒功率控制算法的設計針對不同的風速情況，利用風速、風機轉速和空氣動力轉矩之間的關系，結合變槳PI，采用不同的控制策略，實驗證明該策略能實現最大風能的捕獲，減小發電機的磨損，對現實風電機組的功率控制具有一定的參考意義。

參考文獻：

喬焰輝，郝詩源，郝萬君，等.基于積分滑模控制的風電機組最大功率跟蹤及恒功率控制[J].蘇州科技大學學報（自然科學版），2021，38（02）：61-67.

周志超，王成山，郭力，等.變速變槳距風電機組的全風速限功率優化控制[J].中國電機工程學報，2015，35（08）：1837-1844.

[3]田友飛.變速恒頻雙饋風力風電機組最大風能捕獲與恒功率控制研究[D].2011.

[4]高峰，王偉，楊錫運.基于免疫遺傳算法的風力發電機組變增益PI控制器參數整定與優化[J].動力工程學報，2016，36（01）：22-29.

[5]賈鋒，蔡旭，李征，等.提高風電機組發電量的轉矩–變槳協調控制策略[J].中國電機工程學報，2017，37（19）：5622-5632+5839.

作者簡介：黃曉軍（1986— ），女，漢族，四川德陽人，碩士研究生，工程師，研究方向：電氣自動化控制。