风力发电机组的恒功率控制算法研究

摘 要：功率控制算法是整个风力发电机组核心的控制算法，是保证风机能正常稳定并网发电的关键算法之一。本文讨论了在低、中风速区间通过调节扭矩，在高风速区间通过使用变桨控制来实现恒功率控制，并通过模型仿真来验证这一策略的可行性。实验证明通过对各风速区间实施不同的功率控制方法可以实现恒功率控制，以达到风能的最大利用化。

关键词：恒功率控制；PI；转速；扭矩

1 概述

近年来，化石能源的日趋枯竭和日益严重的环境污染引起了全世界的广泛关注，许多国家投入大量资金和人力进行新能源的开发，而其中风能作为清洁能源的代表，因其具备大规模商业开发的潜能而备受瞩目。由于风电机组的装机容量大幅增加，因此如何能提高风能的利用率显得尤为的重要。由于风能的随机不确定性以及风轮机自身特性使风电机组的发电功率、风轮转速等随风速变化而波动，降低了风电机组发电效率和输出电能质量[1]。因此本文将针对各风速区间的风能特点通过不同的控制策略[2]来实现对风力发电机的恒功率控制，以能最大的捕获风能[3]。

2恒功率控制算法总述

风力发电机组利用发电机及其空隙中可以传递任意大小（有限制）扭矩的变速传动器来实现可变速运行。扭矩控制有较高的带宽，因此所需扭矩可以在很短的时间里得到满足。在低风速时，叶轮速度是通过改变发电机扭矩以捕获最大能量而进行控制的。在中风速时，当达到额定转速时，需要动态调节扭矩以保证叶轮转速在额定值。在高风速时，扭矩达到额定值，开始使用变桨控制以保证叶轮转速在额定值。为维持额定功率，扭矩需要根据额定点附近的速度变化反向地调节，于是设计了一个阻尼滤波去给所需扭矩叠加纹波以抑制传动系统的振动。

3 分阶段控制

3.1额定风速以下

为了提高风力发电系统的效率，在额定风速以下时需要通过发电机扭矩的调节以改变风机转速，使风机运行在最优叶尖速比状态，以捕获最大风能。

忽略传动系统能量损耗，当发电机扭矩与测得的发电机速度的平方成正比就能达到最优工作条件。即。其中 。为空气密度，R为叶轮半径，为期望叶尖速比，表示叶尖速比为时的功率系数，G为齿轮箱变比。如图1所示，算得的最大功率系数在桨叶角度在0°时取到。

由于惯性，叶轮不能跟随风速变化很快地改变速度，因此不可能总是维持最大功率系数。然而上述策略在叶轮不是太重时是合理的。

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3.2额定风速区

当转速达到最大值时，利用一个PI（比例加积分）控制器根据发电机转速调节给定扭矩来维持最大速度。该控制器的增益可以通过线性控制器设计技术算得。叶轮速度最好是在额定点附近点附近有些波动，这比把速度固定在额定点能更柔地响应扭矩和功率的缓慢波动。这可以通过选择合适的PI增益[4]来实现。同样，最小速度也可以通过这个PI控制器来限制。在最大最小速度之间，这个PI控制器根据下面提到的转速-扭矩工作曲线进行输出。

PI控制器的拉普拉斯形式为：

其中Kq是比例增益，Tq是积分时间常数。积分增益是Kq/Tq。这里采用一个低通滤波器来减少控制器对于高频干扰的敏感性，即：

当达到最大扭矩时，为了维持恒定转速，桨距角给定开始变化以响应发电机转速。这是通过第二个PI控制器实现的。

变桨PI控制器的增益根据工作点而变化，因为在高风速时空气动力矩对于桨距角的敏感性比额定风速时大得多。这可以通过基于桨距角的增益调度技术实现。可以通过增益调度的调节来确保在整个从额定到切出风速范围内均有好的响应和足够的稳定裕度。变桨控制器的拉普拉斯形式为：

其中K是比例增益，Ti是积分时间常数。增益K可以根据当前桨距角通过对某些极限情况下桨距角的逆增益进行先行插值而来。积分时间常数也可以通过当前桨距角确定。

比例增益可以进一步利用速度误差及其导数（发电机加速度）的乘积来修正。这样设计的非线性反馈ID使得它使用得非常少，只有当速度快要达到超速极限时才起作用，此时它能够减少瞬时负载。比例增益乘上一个由查找表插值而来的因子，该关系如图2所示。

被测发电机速度通过三个滤波器才被用来变桨控制。用一个低通滤波器来减小高频信号的冲击。有两个V型滤波器；第一个阻止3P频率分量，第二个用来覆盖6P和传动系统频率。这两个V型滤波器的形式是：

与桨距角PI控制器并行的是一个附加的桨距角给定，它是通过把前后向机舱加速度传给一个合适的滤波器而得来的。它的目的是主动地抑制塔的前后向摆动。被测机舱加速度通过两个二阶滤波器，第一个是在3P频率处的V型滤波器，第二个调节信号的增益和相角以使得第一个塔模态达到最佳阻尼比。

既然变桨控制器和扭矩控制器都想把转速控制在同样的工作点，所以有必要

执行一些逻辑控制，以使得在超过额定转速时不用扭矩控制器，而在低于额定转速时不用变桨控制器。实现过程如下：两个控制器并行工作，但是在变桨控制器中装有附加扭矩器件使其在额定转速下饱和在微调状态，并且在较低扭矩极限处有一个“棘齿”以确保给定扭矩在桨距微调状态没有达到时不能下降。也用一个二阶低通滤波器来减少附加扭矩控制器对于高频干扰的敏感性。这个技术确保：

当扭矩低于额定值时，变桨系统饱和在微调状态；

当变桨系统在微调状态之上时，扭矩饱和在额定值；

如果风速迅速上升到额定值，当扭矩达到上极限时，变桨系统开始工作以抑制暂态的超速；

风速暂减时扭矩保持在额定值：叶轮动能保持额定功率，在额定风速周围及以上时，阻止频繁的功率跌落。

3.3 额定风速以上

在额定风速以上时，风力发电机组的功率波动过大会导致风电机组机械和电气部件的损伤，因此设计良好的恒功率控制策略非常重要。在额定风速以上，发电机扭矩几乎保持为常数，这意味这传动系统的任何扭转振动都会有很低的阻尼。可以存在这个振动模态的很显著的激励，它能够以对应于第一个传动系统模态的频率向齿轮箱施加很大的振荡扭矩。对于这个风力机，第二个塔的边-边模态也引起这些振动。这些扭转振动可以通过对发电机扭矩给定增加一个附加项来抑制，在共振频率处加一个小纹波给扭矩和功率；这能够显著地减少齿轮箱载荷。该附加项是由测得的发电机转速通过一个适当的滤波器变化而来。

使用了一个连续的带通滤波器，它串联一个二阶V型（陷波）滤波器。这个滤波器在离散时间域中设计，以离散传递函数实现出来。为了这个特别的实现，该滤波器被转化为一个连续的带通滤波器，该滤波器在采用双线性或者Tutsin近似法离散化后与其有相同的传递函数。

在超过额定风速时，并不是保持扭矩（在叠加阻尼项之前）恒定，应该根据叶轮速度反向变动它，以保持恒定功率而不是恒定扭矩。尽管这使得速度控制有点不稳定的效果，但对齿轮箱扭矩并没有不利影响，因此这里采用的策略使得电功率质量提高了。

4转速-扭矩工作曲线分析

在发电机最小速度（1000rpm）到额定速度（1780rpm）区间内，转速-扭矩工作曲线如图3所示。

如图3所示，在转速-扭矩工作曲线A-B段中采用扭矩PI控制，即通过调节发电机扭矩来获得最大能量。

在B-D段采用控制。忽略传动系统能量损耗，当发电机扭矩与测得的发电机速度的平方成正比就能达到最优工作条件。其中 。为空气密度，R为叶轮半径，为期望叶尖速比，表示叶尖速比为时的功率系数。C点对应的转速，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段使扭矩和转速符合就需要添加一定的判定条件：当实际转速时，转矩取A-B段通过PI控制计算出的和通过计算出的中的最大值，实际上这时取到的值就是满足的转矩值；当实际转速时，转矩取D-E段通过PI控制计算出的和通过计算出的中的最小值，实际上这时取到的值还是满足的转矩值。这样做就能保证在B-D段转速和扭矩的关系满足，从而获得最大能量。

当达到额定转速，且风速小于额定风速点（当风速达到额定风速点时，扭矩值为）时（即图3中的D-E段）， 采用扭矩PI控制器，根据发电机转速调节给定扭矩来维持最大速度。转速最好是在额定点附近有些波动，这比把速度固定在额定点能更柔地响应扭矩和功率的缓慢波动。

当达到最大扭矩时，为了维持恒定转速，采用变桨PI控制器（即图3中点E所在的那条斜线），调节桨叶角度以响应发电机转速[5]。变桨PI控制的限定条件，GH算得变桨PI控制的最大、最小值的限定条件为即变桨PI控制始终控制扭矩的取值在算得的扭矩额定值的0.94～1.06倍之间。

既然变桨控制器和扭矩控制器都想把转速控制在同样的工作点，所以有必要执行一些逻辑控制，以使得在超过额定转速时不用扭矩控制器，而在低于额定转速时不用变桨控制器。在图3中，即要在E点作解耦操作，具体做法如下：若风速大于额定风速，则通过变桨PI控制调节桨叶角度来控制转速；但当桨叶角度调节到0°时，则采用扭矩PI控制。即解耦操作时根据桨叶角度是否为0°来进行操作的。

可见，在超过额定风速时，该算法并不是保持扭矩恒定，而是根据叶轮速度反向变动它，以保持功率恒定。

结语

风电机组恒功率控制算法的设计针对不同的风速情况，利用风速、风机转速和空气动力转矩之间的关系，结合变桨PI，采用不同的控制策略，实验证明该策略能实现最大风能的捕获，减小发电机的磨损，对现实风电机组的功率控制具有一定的参考意义。

参考文献：

乔焰辉，郝诗源，郝万君，等.基于积分滑模控制的风电机组最大功率跟踪及恒功率控制[J].苏州科技大学学报（自然科学版），2021，38（02）：61-67.

周志超，王成山，郭力，等.变速变桨距风电机组的全风速限功率优化控制[J].中国电机工程学报，2015，35（08）：1837-1844.

[3]田友飞.变速恒频双馈风力风电机组最大风能捕获与恒功率控制研究[D].2011.

[4]高峰，王伟，杨锡运.基于免疫遗传算法的风力发电机组变增益PI控制器参数整定与优化[J].动力工程学报，2016，36（01）：22-29.

[5]贾锋，蔡旭，李征，等.提高风电机组发电量的转矩–变桨协调控制策略[J].中国电机工程学报，2017，37（19）：5622-5632+5839.

作者简介：黄晓军（1986— ），女，汉族，四川德阳人，硕士研究生，工程师，研究方向：电气自动化控制。