1、風力發電技術系列講座(3)風力發電控制技術的發展現狀王宏華(河海大學自動化工程系,南京,210098)摘要：本文闡述了風力發電控制系統的基本結構和工作原理，綜述了風力發電控制技術的發展現狀及發展趨勢。關鍵詞：風力發電，系統，控制The Series of Lectures on Wind Power Technology(Part 3)Development of Control Technologies for Wind Power SystemWang Honghua(Department of Automation Engineering ,Hohai University , Nanj

2、ing,210098,China)Abstract: This paper describes the principle and structure of wind power control system, and presents the latest development trend and research progress of control technologies for wind power system .Key words: Wind power ,System，Control 0.引言眾所周知，風能是一種能量密度低、穩定性差的能源，保證運行的可靠性和安全性、提高風力

3、發電的質量和效率、延長風電機組的壽命是風力發電控制系統的基本目標。圖1為基于DCS技術的大型風電機組控制系統總體結構框圖1-5。圖1 風電機組控制系統總體結構主控制器監測電力參數、風力參數、機組狀態參數，起/停其他功能模塊，實時監控風電系統工作狀態。人機界面主要實現運行操作、狀態顯示、故障記錄、趨勢曲線、繪制報表、用戶管理等功能。軟切入控制的主要功能是限制發電機并網和大小發電機切換時的沖擊電流、平穩風力發電機并網過渡過程。偏航控制系統主要包括自動偏航、手動偏航、90o側風、自動解纜等功能2。大型風電機組均采用主動對風控制，當風輪主軸方向與風向標指向偏離超出允許偏差范圍且持續一定時間后，偏航系統

4、控制伺服（偏航）電動機運轉使風輪主軸方向跟蹤主風向。液壓系統執行風力機的變槳距和制動操作，實現風電機組的功率控制、轉速控制及開停機控制。制動系統是風電機組安全保障的重要環節，在定槳距機組中，通過葉尖撓流器執行氣動剎車；而在變槳距機組中，通過控制變槳距機構也可控制機械剎車機構。另外，風電機組的控制設備還包含安全保護系統，其是傳感器和工控機的集成，包括超速保護、電網失電保護、電氣保護（過電壓及短路保護、防雷擊保護等）、機組振作者簡介：王宏華（1963），男，江蘇泰州人，博士?，F為河海大學教授、博士生導師。研究方向為新型交直流電力傳動等。動保護、發電機過熱保護等，主要執行停機和緊急停機程序，其具有最

5、高優先權，可進入至少兩套剎車系統。以上概述了風電機組控制系統的一般功能，為了更好地實現提高風力發電質量、效率的目標，應對風電機組的穩態運行工作點進行精確控制，其控制技術發展的3個主要階段為：從起源于丹麥的定槳距恒速恒頻控制到20世紀90年代發展起來的變槳距恒速恒頻控制；再到目前已廣泛應用的變槳距變速恒頻控制。本文總結了這3個發展階段的運行控制技術，綜述了風力發電控制技術的發展趨勢。1.定槳距失速控制定槳距風力機的槳葉固定在輪轂上，槳葉的迎風角度不隨風速的變化而改變，即葉片槳距角不可調。當風速高于額定風速（一般為1216m/s）時，其依賴于葉片獨特的翼形結構所具備的自動失速性能而將功率自動限制在

6、額定值附近。20世紀80年代葉尖撓流器在定槳距風電機組得到成功應用，使槳葉自身具備了制動能力，有效解決了突甩負載情況下的安全停機問題。為了使機組在低風速段運行時具有較高效率，定槳距風電機組采用雙速發電機、雙繞組雙速感應發電機等以實現不連續變速功能2。對聯網運行的定槳距風電機組，晶閘管恒流軟切入裝置是其控制系統的重要部分。定槳距失速控制無功率反饋系統和變槳距機構，結構簡單，安全系數較高，不需要復雜的控制程序，但其性能受葉片失速性能限制，起動風速較高，在風速超過額定值時發電功率下降。為了提高功率調節性能，近年來又研制出主動失速型風電機組1-2。2.變槳距控制變槳距風輪的槳葉與輪轂不象定槳距那樣采用

7、剛性聯接，其葉片的槳距角可隨風速變化進行調節，以調節風電機組的功率。在額定功率以下時，為最大限度獲得風能，控制器將槳距角調至0o附近并固定，發電機的功率根據葉片的氣動性能隨風速變化而變化；當風速過高，高于額定功率時，增大槳距角使風輪迎風面積減小，從而將發電機功率保持在額定值。變槳距調節具有額定點風能利用系數較高、起/制動性能好、輸出功率平穩等優點，故成為大型風電機組的最佳選擇。但隨著并網機組向大型化方向發展，槳葉轉動慣量巨大（大型風機的單個葉片重達數噸，有的風輪直徑已達一百多米），僅采用槳距角控制難以適應風速的快速變化。為了有效控制快速變化的風速引起的功率波動，近年來出現了采用轉子電流控制（R

8、CC）技術以調整繞線型異步發電機轉差率的新型變槳距控制系統1，如圖2所示。圖2 帶轉差率調節的變槳距控制系統圖2中，轉速控制器的輸出為槳距給定，槳距控制器為非線性比例控制器，其輸出控制液壓伺服系統，使槳距角變化。其中，轉速控制器A在發電機并網前工作，即在機組進入待機狀態或從待機狀態重新起動時投入工作，通過調節槳距角，使發電機以一定的加速度升速，當發電機在同步轉速（50Hz時1500r/min）10 r/min（可調）內持續1s（可調）時發電機將切入電網，并切換為轉速控制器B和功率控制器工作。轉速控制系統B的輸入為速度偏差和風速，在達到額定值前，速度給定隨功率給定按比例增加。若風速和功率輸出一直

9、低于額定，將根據風速輸出最佳的槳距給定，以優化葉尖速比；若風速超出額定，通過改變槳距角使發電機轉速跟蹤給定，將輸出功率穩定在額定。圖2中，風速信號是經低通濾波器后參與槳距控制的，即槳距控制對瞬變風速并不響應。在瞬變風速下維持輸出功率穩定是通過功率控制器進行的，其通過繞線型異步發電機轉子電流控制環實現（參見本系列講座（2）中的圖1“繞線轉子電流受控的異步風力發電機”結構），即根據功率控制器輸出的電流給定值，通過電力電子裝置調整轉子回路等效電阻（其動作時間在毫秒級以下），從而迅速調節發電機轉差率，即迅速改變風輪轉速，吸收瞬變風速引起的功率波動，實現額定風速以上且風速頻繁變化時的發電機輸出額定功率,

10、減少變距機構的動作頻率和幅度。3.變速控制目前，變槳距變速恒頻風電機組已成為大型并網風電機組的主流機型，其基本控制策略為：低于額定風速時，控制發電機轉速以跟蹤風速變化，使風輪葉尖速比保持在最佳值，實現最大風能跟蹤（MPPT）控制；高于額定風速時，調節槳距以限制風力機吸收的功率不超過極限值，并在風速大幅度變化時使發電機保持輸出功率恒定。31 額定風速以下實現MPPT的轉速控制 圖3為槳距角不變，不同風速Vi下風力機的輸出功率特性。圖中，i是對應Vi使風力機具有最佳葉尖速比opt的風輪角速度，將Vi、i對應的各風速下最大輸出功率點相連即為最大功率曲線Popt。圖3 風力機功率特性在Popt曲線上運

11、行的風力機將輸出最大功率Popt，即 式中，為空氣密度，S為風輪掃風面積，R為風輪半徑，opt為最佳葉尖速比，Cpmax為最大風能利用系數。目前常用的最大風能跟蹤控制方法有如下3種基本方法。3.1.1 風速跟蹤控制實時測量風速，然后依據風電機組的功率特性，推算出使風輪葉尖速比保持在最佳值的發電機所需最佳轉速nopt，控制變速發電機的轉速使其跟蹤最佳轉速nopt，從而實現MPPT。雖然這種方法的原理簡單明了，但必須已知風力機特性，且要求測量的風速與作用在槳葉上的風速有良好的關聯性。然而，由于風速在時間、空間上的隨機變化，很難精確測得與到達風輪上的風速一致的結果，這限制了該方法的工程應用。為了克服

12、風速跟蹤控制方法的缺點，出現了多種基于風速預測方法的改進控制系統1。3.1.2 功率反饋控制實時測量發電機轉速（則可得到風輪角速度），依據風輪角速度和風力機最大功率曲線Popt，實時計算發電機的輸出有功功率指令P*，控制發電機的輸出有功功率使其跟蹤指令P*，即可實現MPPT。以上實現MPPT的過程可用圖2說明10：設原先在風速V5下機組穩定運行在Popt曲線的E點，此時風力機輸出功率和發電機輸入功率均為PE，兩者平衡，風輪以最佳角速度5穩定運行；若風速由V5突升至V4，風力機的工作點將由E跳動至F，對應的輸出功率躍變至PF，而發電機卻因慣性和控制滯后仍暫時工作在E點，因PF>PE，發電機

13、將升速；在升速過程中，風輪沿其固有的功率特性FD曲線增速，而采用功率反饋控制的發電機則沿最大功率曲線增速，兩者到達D點時，重新建立起功率平衡，風輪以與風速V4相對應最佳角速度4穩定運行。該方法不需要測量風速，但需要已知風力機最大功率曲線和發電機損耗特性，以獲得有功功率指令P*。研究表明10：即使在P*的計算不很準確時，也可使發電系統運行在“次最佳狀態”，獲得較理想的最大風能跟蹤控制效果，故該方法頗具實用價值。3.1.3 最大功率搜索控制其依據是在某一固定風速下，風力機的功率特性P()為凸函數。在有的文獻中，該方法也稱為爬山搜索算法9、功率擾動控制12，其通過施加人為的功率擾動進行離散迭代控制，

14、使風輪機的工作點“一步一步”地沿其功率曲線移動到最大值附近，且保持一定的波動。以人為施加轉速擾動引起功率變化從而自動搜索發電機最佳轉速nopt實現MPPT為例說明如下9：計算當前風力機功率P(k),并和上一控制周期的風力機功率P(k-1)比較，若P(k)= P(k)- P(k-1)>0,則保持發電機轉速指令的擾動值n的符號不變，繼續進行下一周期的轉速擾動；否則，若P(k)= P(k)- P(k-1)<0,則應將轉速指令的擾動值n的符號反號，繼續進行下一周期的轉速擾動。因當前的n與上周期的轉速指令相加即為新的轉速指令，故若風機功率漸增，則將保持轉速指令值漸增（或漸減）；若風機功率減小

15、，則應改變轉速指令變化的方向。該方法的優點是無需測風裝置，對風力機功率特性的了解要求不高，系統有自動跟隨與自適應能力；缺點是即使風速穩定，發電機穩態功率輸出仍有波動，控制周期不能太小，系統調節時間較長12。32 額定風速以上的功率控制1在風速超過額定風速時，變速風電機組的控制系統通過調節風力機風能利用系數，實現保持發電機輸出功率恒定、使機組傳動系統具有良好柔性的基本目標。目前，有兩種改變風力機風能利用系數的方法。其一，控制發電機電磁制動轉距，以調節發電機轉速，進而調整葉尖速比；其二，調節槳距角以改變風輪迎風面積，從而調節空氣動力轉矩。應該指出，理想的控制方案是采用轉速與槳距雙重調節。4.風電機

16、組控制技術的發展趨勢41風力發電系統智能控制風電機組是一類復雜的非線性系統，其精確的數學模型難以建立，采用基于數學模型的傳統控制難以使系統在全部運行狀態下獲得滿意的動、靜態性能。隨著不依賴于數學模型的智能控制技術的發展，模糊控制和人工神經網絡在風電機組控制領域應用方興未艾，并成為研究熱點之一16。文獻13在槳距控制器設計中引入2維模糊控制算法，仿真結果驗證了在風速高于額定風速且頻繁變化時，基于模糊控制算法的變槳距控制器能夠隨風速變化不斷調節槳距角，使風力發電機輸出功率穩定在額定值附近。文獻14對基于模糊控制的雙饋風力發電空載并網技術進行了研究，其在有刷雙饋異步發電機轉子可逆變流裝置的控制中，采

17、用了參數自整定模糊PI控制器，即利用模糊控制規則對PI算法的比例參數和積分參數在線調整，仿真表明該控制算法可有效提高系統的魯棒性。文獻15則在基于爬山搜索算法實現小型風電系統MPPT的控制系統中引入模糊/PI D雙?？刂?，大范圍搜索用模糊控制，小范圍搜索則用PID，仿真表明：模糊/PI D雙?？刂颇苁瓜到y平穩跟蹤最大功率點，發電機穩態輸出功率波動較小。人工神經網絡具有映射任意非線性輸入-輸出關系的能力?？苫贐P網建立槳距角全范圍變化時的風能利用系數模型；也可建立以風速、風輪角速度、功率為輸入，槳距角指令值為輸出的BP網，構成基于BP網的槳距控制器1，實現槳距控制的目標。文獻16選擇風力機轉速

18、和風速作為直接樣本數據，計算得到的風力機輸出功功率為間接樣本數據，經離線訓練，建立了以風力機轉速和功率為輸入、風速為輸出的BP網風速預測模型，并將該風速預測模型應用于采用風速跟蹤控制方法的直驅式風力發電系統MPPT控制，仿真結果表明基于BP網的風速預測模型正確、可行。文獻17在變速恒頻雙饋異步發電機定子有功功率控制中引入單神經元控制算法，實現MPPT，仿真結果驗證了控制算法的有效性。目前，風電機組智能控制研究多數停留在仿真階段，尚缺乏實際工程應用。另一方面，模糊控制和人工神經網絡具有互補性，兩者相結合的神經網絡模糊控制在風電機組控制領域中的應用研究尚少；基于數據驅動的機器學習方法與風能轉換系統

19、控制相結合的研究也有待深入。42 風力發電系統低電壓穿越技術518-19 隨著風電機組裝機容量不斷增大,風力發電系統對現存電網穩定性的影響成為倍受關注的課題,其中熱點之一是研究電網電壓瞬間跌落情況下風電機組對電力系統的影響。目前,世界各國紛紛制定了針對大型風電機組并網運行的標準,要求在電網發生故障如電壓瞬間跌落時,風電機組仍能保持并網,且能向電網提供一定的無功功率支持,以提高電力系統的穩定性,這就要求風電機組具有一定的低電壓穿越(LVRT)運行能力。雙饋異步發電機(DFIG）風電機組在電網電壓跌落時將導致DFIG轉子側過電壓、過電流。轉子電路中的Crowbar(保護)電路是使DFIG風電機組具

20、備LVRT能力的關鍵,其在電網電壓故障時可有效對變流器進行保護,且可向電網發出無功功率,使電網電壓迅速恢復正常。但轉子Crowbar電路無法兼顧轉子側變流器及齒輪傳動等機械部件實現全面保護,且不同故障類型及不同故障程度下的電路參數難以統一。目前, DFIG風電機組的LVRT運行研究仍是難點,主要集中于保護電路拓撲結構和變流器控制算法改進研究。對采用多級永磁同步發電機的直驅型變速恒頻風力發電系統而言,因為其與電網通過背靠背功率變換器隔離,且無功功率控制靈活,故在LVRT運行方面具有優勢。在直流側增加保護電路、在直流側和電網間增加輔助變流器等保護措施可增強直驅型風電機組LVRT運行能力。大容量并網

21、型風電機組LVRT運行控制策略是有待深入研究的熱點課題。但電網故障具有不可控性,故為了測試風電機組LVRT運行性能,模擬電網電壓跌落特性的“電壓跌落發生器(VSG)”研發也成為一個熱點。參考文獻1 葉杭冶.風力發電機組的控制技術. 北京：機械工業出版社,第2版,20082 姚興佳,宋俊.風力發電機組原理與應用. 北京：機械工業出版社,第1版,20093 宋海輝.風力發電技術及工程.北京：中國水利水電出版社,第1版,20094 牛山泉編著,劉薇,李巖譯.風能技術. 北京：科學出版社, 第1版,20095 王志新，張華強.風力發電及其控制技術新進展.低壓電器，No.19：1-7，20096 徐大平，張新房，柳亦兵. 風力發電控制問題綜述.中國電力，No.4：70-74