变速风力发电的最大风能捕获控制方法

马小亮

（天津电气传动设计研究所，天津 300180）

变速风力发电的最大风能捕获控制方法

马小亮

（天津电气传动设计研究所，天津 300180）

有两种最大风能捕获控制策略：转速控制和功率控制。转速控制较直接、好理解，容易被做过电动机调速的人们接受。但是，大量实际系统都采用功率控制。分析了转速控制的问题及介绍功率控制的工作原理。最后给出一个实用的双馈风力发电机的控制框图，供参考。

最大风能捕获；转速控制；功率控制；功率和转矩冲击

1 引言

可再生的绿色新能源开发是世界与我国最重要和急需解决的任务之一，风力发电是其中最接近实用和推广的一种，已引起人们极大关注。

风力涡轮机的输出功率是风速、转速和桨叶倾角的三维非线性函数。在桨叶倾角β固定为最小值条件下，输出功率P／PN与涡轮机转速n／nN和风速v的关系示于图1。从图1中看出，对应于每个特定的风速v，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应的转速越高。如果能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低，因此功率＞1MW的风电机组都采用变速发电，以期捕获最大风能。桨叶倾角β控制只在高风速时投入工作，用来限制最大功率输出和最高转速。

实现最大风能捕获任务的控制方法有两种：转速控制和功率控制。转速控制系统的给定量是从风速v和P／PN＝f（n／nN，v）曲线最大点算出的转速给定n＊＝f（v），反馈量是发电机实际转速n，通过控制使n跟随其给定n＊变化。功率控制系统的给定量是从发电机实际转速n和P／PN＝f（n／nN，v）曲线最 大点算出的功率给定P＊＝f（n）关系，反馈量是从输出电压和电流算出的风力发电实际输出功率P，通过控制使功率P跟随其给定P＊变化。

图1 P／PN＝f （n／nN，v）Fig.1 P／PN＝f（n／nN，v）

转速控制较直接、好理解，特别容易被做过电动机调速的人们接受。前一段时间笔者看了许多有关最大风能捕获的研究报告和论文，其中不少都基于转速控制，有的还把如何改善调速性能作为研究目标。很遗憾，实际的最大风能捕获控制大多不用转速控制，而是采用功率控制，本文探讨其原因。第2节分析转速控制的问题，第3节介绍功率控制的工作原理，最后给出一个实际的双馈风力发电机的控制框图，供参考。

2 转速控制的问题

转速控制的核心是转速给定n＊计算和转速调节器ASR，它的简化框图如图2所示。

图2 转速控制的简化框图Fig.2 Simplified block diagram of speed control

式中：τG为涡轮机和发电机惯性时间常数。

风力涡轮机特性及风速从v3增至v2再降回v3过程如图3所示。该过程中各变量的波形如图4所示。

假设初始时，风速稳定于v3，位于图3中A1点。在t＝t1时，风速快速增至v2，工作点由A1移到A2，转速给定n＊和风动转矩TW相应快速

图3 风力涡轮机特性及调速过程Fig.3 Wind turbine curves and speed adjusting process

图4 转速控制的波形示意图Fig.4 Waveforms of speed control

在t＝t3时，风速快速从v2降回v3，图3中的工作点由A3移到A4。t3～t4是降速过程，工作点沿v3曲线从A4向A1移动，各变量的变化情况与增速过程相反。在这期间ASR的输出增至负限幅，TG＝TG.max，相应发电机输出功率P也增大，处于高位（P曲线顶部向下斜的原因是：P等于TG和n的乘积，这期间TG不变，而n在降低，所以P也随之减小）。

从图4看出：

1）在加减速期间功率P的变化与期望相反：风速加大时，人们期望随转速n增大P随之增加，而现在是在n增大期间P＝0，损失的这部分能量变成了机械动能；风速降低时，人们期望随转速n减小P随之下降，而现在是在n减小期间P不降反升，多出来的这部分能量来自机械动能。只有在到达稳定点后，转速控制才能实现最大风能捕获要求。风速是一个极不稳定的变量，常以阵风形式出现，一会强一会弱，经常处于动态，很少有稳态，导致输出功率P不停的在零和大值间波动，对电网冲击大。

2）在加速和减速期间转矩TG分别为0和TG.max，由于风速极不稳定，导致机械不断的受到从零到最大值的转矩冲击，对机械结构危害甚大。

总之，转速控制放大了风速波动带来的功率和转矩冲击，对电网和机械的安全运行十分有害。

3 功率控制的工作原理

功率控制的核心是发电机功率给定P＊计算和功率调节器APR，它的简化框图如图5所示，没有转速给定和转速调节器。

图5 功率控制的简化框图Fig.5 Simplified block diagram of power control

涡轮机特性及风速从v3增至v2再降回v3过程仍如图3所示。该过程中各变量的波形如图6所示。

连接图3中各风速下的最大功率点，得一条最大功率曲线P＊＝f（n），根据它和电机实际转速n来计算功率给定量P＊（不涉及风速v），送至功率调节器APR的输入，它的反馈信号是拫据发电机三相电压和电流瞬时值算出的功率实际值P。APR的输出是发电机的转矩给定-T＊G，随后的转矩控制块和发电机G块与转速控制（图2）相同。

图6 功率控制的波形示意图Fig.6 Waveforms of power control

初始时，风速稳定于v3，位于图3中A1点。在t＝t1时，风速快速增至v2，工作点由A1移到A2，相应风动功率及转矩TW增至A2点的值。由于惯性时间常数τG大，电机转速来不及变化，n仍为A1点的值，因功率给定根据n计算，故功率和转矩给定及它们的实际值（P和TG）也不变，仍维持A1点的值。这时TW＞TG，电机开始缓慢加速。随n上升，工作点沿V2曲线从A2向A3移动，功率给定P＊沿P＊＝f（n）曲线随之缓慢加大，经APR后转矩给定、功率P和转矩实际值TG也缓慢增加。到t＝t2时，工作点移动到A3，功率P等于风动功率，转矩TG＝TW，停止加速，稳定工作于A3点，这时功率P等于风速＝v2时的最大功率值，从而实现最大风能捕获。

在t＝t3时，风速快速从v2降回v3，图3中的工作点由A3移到A4。t3～t4是降速过程，工作点沿v3曲线从A4向A1移动，各变量的变化情况与增速过程相反。

从图6看出，借助于涡轮机和发电机的大惯性，在风速不断快速变化时，发电机的功率和转矩波动被缓和，对电网和机械的安全运行有利。这是大量实际系统采用功率控制的原因。

4 应用实例

为了帮助读者更详细的了解实际风电机组的最大风能捕获控制系统，在图7中给出德国SEG公司的双馈异步风力发电机控制系统框图，从图7中可以清楚看到它基于功率控制。

图7中：PGset，QGset，PG，QG为有功和无功功率给定及实际值。

图7 SEG公司的双馈异步风力发电机控制系统框图Fig.7 Control block diagram of doubly-fed wind generator from SEG company

5 结论

风电机组采用变速发电可以捕获更多风能。有两种最大风能捕获控制策略—— 转速控制和功率控制。风速是一个不断快速变化的信号，转速控制系统根据它来控制转速会放大发电机功率和转速冲击，对电网和机械的安全运行有害。功率控制系统根据电机实际转速来控制发电机功率，借助于机组的大惯性，能在风速不断快速变化时缓和功率和转矩波动，对电网和机械的安全运行有利。基于上述原因，大量实际系统都采用功率控制。

［1］ Muller S.Doubly Fed Induction Generator System for Wind Turbines［J］.IEEE IA Magazine，2002，8（3）：26-33.

Control Strategies of Variable Speed Wind Generator for Capturing Maximum Wind Power

MA Xiao-liang

（TianjinDesignandResearchInstituteofElectricalDrive，Tianjin300180，China）

There are two kinds of control strategies for capturing maximum wind power：speed control and power control.Speed control is more direct，easier to understand and to be accepted by the persons who familiar with variable speed motor drives.Unfortunately，most practice systems adopt power control.The problems of speed control were analyzed and the theory of power control was introduced.Finally，apractice control block diagram of doubly-fed wind generator was shown.

capturing maximum wind power；speed control；power control；surges of power and torque

TM614

A

马小亮（1939-），男，教授级高工，博士生导师，Email：xlm＿td＠sina.com

2010-11-29