风力发电控制策略

风电控制风力发电系统控制的目标主要有四个：保证系统的可靠运行、能量利用率最大、电能质量高、机组寿命延长。风力发电系统常规的控制功能有七个：①在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行；②低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能；③高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组的输出功率为额定值；④减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出功率的波动，避免共振；⑤减小功率传动链的暂态响应；⑥控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅；⑦调节机组的功率，确保机组输出电压和频率的稳定。为实现上述所要求的控制功能，风力发电机组的控制技术经历了三个主要发展阶段：从最初的定桨距失速恒频控制到后来的变桨距恒速恒频控制，目前主要发展变桨距变速恒频控制。1变桨控制2转矩（功率）控制3偏航控制4安全保护控制1变桨控制2转速控制（功率控制）3偏航控制4安全保护控制变桨定义：叶片绕其安装轴旋转，改变叶片桨距角从而改变风力机的气动特性。目的：1.与定桨距风机相比，变桨距风力机风速范围宽2.叶片桨距角的改变，可以很好的改善风轮机的启动性能。3.当风速超过额定风速时，通过变桨实现功率的稳定输出。（重点）4.风机停机后，改变桨距角使其顺桨（β=90º），进而使风机旋转力矩为零，起到保护风机的作用。变桨控制：风轮转矩：转矩系数：风速可以看出：改变桨距角β后可以改变叶片的受力情况，进而改变风轮机的气动特性。翼型的受力分析321(,)2rqTARCvrTqCv312apPCAv(3)(,)(0.440.167)sin0.00184(3)150.3pC功率稳定通过变桨的实现从上面的公式可以看出：风机的输出功率由风速和风能利用系数决定。为了在高风速下得到稳定功率，只能调节从式子可以看出β影响着功率的输出，所以要调节桨距角pCv从图上可以得到下面的结论：1.对于固定的桨距角，存在唯一的风能利用系数最大值对应一个最佳叶尖速比2.对于任意的也尖速比桨距角为零下的风能利用系数响应最大桨距角增大风能利用系数明显减小以上两点即为变速恒频变桨距控制的理论依据：在风速低于额定风速的情况时，桨角为零风速变化大时，通过变速恒频装置该笔按发电机转子转速，时风能利用系数在恒定在来捕获风能在风速高于额定转速时调节桨距角从而减小发电机输出功率稳定在额定功率。maxpCopt00风速风速功率功率额定风速额定风速额定功率额定功率变桨风机与定桨风机的比较从功率上看：变桨风机的功率输出更加稳定定桨距失速控制的优点是失速调节简单可靠，由风速变化引起的输出功率的控制只通过桨叶的被动失速调节实现，没有功率反馈系统和变桨距机构，使控制系统大为简化，整机结构简单、部件小、造价低。其缺点是叶片重量大、成形工艺复杂，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。变桨距风力发电机组的调节与控制变桨距风力机的整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片的攻角在一定范围（0～90º）变化，变桨距调节是指通过变桨距机构改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使风轮叶片的桨距角随风速的变化而变化，一般用于变速运行的风力发电机，主要目的是改善机组的起动性能和功率特性。（1）根据其作用可分为三个控制过程：起动时的转速控制，额定转速以下（欠功率状态）的不控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制。a.起动时的转速控制变距风轮的桨叶在静止时，桨距角β为90º，当风速达起动风速时，桨叶向0º方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得最大的起动转矩，实现风力发电机的起动b.额定转速以下（欠功率状态）的控制为了改善低风速时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发电机上，利用新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。11c.额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，使桨距角β向迎风面积减小的方向转动一个角度，β增大，功角α减小，如图所示。从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近，这时风力机在额定点的附近具有较高的风能利用因数。双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动，功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同步运行，也可以超同步运行，因此调速范围宽；可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，因此电能质量高，是目前很有发展潜力的变速恒频发电机。双馈发电机组转速控制给定转速值转速控制变桨距控制变桨距机构风速风叶轮机构增速齿轮箱异步发电机异步发电机转速反馈值给定转速值转速控制风速转子电流给定值给定最大功率值功率控制发电机功率反馈值SSRCCRR++--+-×××图3-40转差可调异步发电机控制原理框图(1)转速控制策略一般通过控制发电机的电磁转矩实现转速的控制，图为最佳转矩－转速曲线。转矩/(N·m)最佳线风速曲线最大功率曲线高速轴转速/(r/min)v1v2v3v4v51020304050607080900500100015002000250030003500=RV312apPCAv在低风速时为了使风机有最大的功率输出，必须使风能利用系数达到最大，从图中可以看出当β为定值时，存在最优的λ可以使风能利用系数最大。及调节风机转速Ω，实现最大风能的捕获。(3)(,)(0.440.167)sin0.00184(3)150.3pC为了调节Ω可控制电机转速可以通过调节转子电流实现，从电机学可得发电机电磁转矩为：p:电机极对数s:转差率R1:定子绕组电阻可以看出：R2/s不变，电磁X1:定子绕组电抗转矩M就不变，从而发电机R2:折算到定子侧的电阻功率就不变。因此当风速变X2:折算到定子侧的电抗大及转差率s变大，只要增加R2就能使电功率不变。2211e2221112RmpUsMRRXXs为实现对最佳转矩—转速曲线的跟踪，一般有间接速度控制和直接速度控制两种方法，分别如下图所示。TaTmλ=ωr/vTe*ωωTe*=Kω+-2Te传动系统动态特性转速风速气动转矩感应滞后变流器及发电机ωoptK图3-48a)间接速度控制策略K气动转矩感应滞后风速转速控制器变流器及发电机传动系统动态特性传动轴转矩ωTe*λ=ωr/vTmTa+TeTmω*=(Tm/K)1/2ω*Tm/Kωopt+--λω*图3-48b)直接速度控制策略风速风能曲线功率控制器功率变换节距控制器变距机构风轮增速器发电机++--P转速图3-49功率控制系统总框图偏航控制偏航：风力机风轮绕其垂直轴旋转叫偏航功能：跟踪风向的变化，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使风风轮扫面与分向保持垂直。偏航系统的组成如图所示：