基于風速的風力機功率控制研究

孫 娜 馬會賢

（銀川能源學院，寧夏 銀川750105）

調(diào)節(jié)變槳距的風力機功率時主要依靠葉片自身特有的氣動特點，與此同時還可以針對葉片槳的距角進行相應(yīng)的調(diào)整也可以達到調(diào)節(jié)的目的。在風電機組的額定的風速下，有效的對槳距的角度控制在零度較小的標準范圍中，進而其達到一臺定槳距的風力機，而發(fā)電機所輸出的相應(yīng)功率則依據(jù)葉片自身的氣動性伴隨風速的變化；如果實際的功率高于額定的標準功率時，變槳距會對葉片的槳距角進行相應(yīng)的調(diào)整，進而確保發(fā)電機所輸出的功率被局限于額定標準范圍的附近，由此最終達到以恒定功率的運行狀態(tài)。

1 變槳距角控制

1.1 變槳距角控制的工作原理

變槳距控制的主要功能之一是在高風速下維持發(fā)電機輸出功率恒定，此外，在電網(wǎng)故障下可以通過控制風輪轉(zhuǎn)速來提高風力發(fā)電機組的暫態(tài)穩(wěn)定性。

典型變槳距控制型風力機的機械功率與風速曲線如圖1所示，如果實際的風速超出額定的標準風速時，使用變槳距的控制技術(shù)便可以促使風力機來得到一定的功率維持在其額定值處。

圖1 典型變槳距控制型風力機的機械功率與風速曲線

圖2 給出了變槳距控制的工作原理。風速小于等于額定值，葉片保持額定攻角αR處，如圖2a）。風速高于額定值，葉片攻角減小，升力變小。葉片完全順槳時，葉片攻角對準風向，如圖2b 中以虛線繪制的葉片角度。圖3 是變槳距控制機構(gòu)的性能曲線，在高于額定風速條件下，對風力機捕獲的功率可以進行控制。

圖2 變槳距控制技術(shù)的空氣動力學原理

已知風力機的輸出機械功率Po正比于Cp，而風能利用系數(shù)Cp為葉尖速比λ 和槳距角β 的函數(shù)。

風能利用系數(shù)Cp采用如下公式近似計算：

由式（1）可得變槳距風力機Cp～（λ，β）特性曲線，如圖3所示。

圖3 變槳距風力機Cp～（λ，β）特性曲線

1.2 高風速下的變槳距控制

變速風力機的槳距角調(diào)節(jié)裝置可以通過風輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的偏差量進行相應(yīng)的調(diào)整，即轉(zhuǎn)速控制；還能夠利用風組輸出的功率加以調(diào)整，即功率控制。

而在本文則依據(jù)實際的情況選擇不同控制目標時的不同，當處于高風下使用功率控制的形式，而在電網(wǎng)故障時則使用轉(zhuǎn)速控制的形式。

本次PI 控制槳距角，其主要整體的結(jié)構(gòu)干分簡單，而且反應(yīng)的速度也特別快。

如果風速大于額定標準，但低于切出風速時，為了避免風力機可能受到破壞，則對風力機調(diào)整功率，確保處于恒定。使用PI 控制器來有效的控制槳距角，然后再使用延時系統(tǒng)，針對槳距伺服驅(qū)動的系統(tǒng)加以建模。

高風速下變槳距風力機功率控制模型為：

式中：TI為積分時間常數(shù)（包括一階延時系統(tǒng)）；KP為比例增益系數(shù)；β0=0°為初始槳距角；ΔP=PG-Pref為風力發(fā)電機的輸出功率偏差。

其控制框圖如圖4 所示。

圖4 高風速下變槳距風力機的功率控制框圖

2 雙饋異步風力發(fā)電機（DFIG）

2.1 DFIG 工作原理

以DFIG 為基礎(chǔ)的風電系統(tǒng)被廣泛使用。而依據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生的實際變化來講，DFIG 主要有三種運行的狀態(tài)，具體如下所示：

（1）亞同步運行：風力發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速如果低于氣隙旋轉(zhuǎn)的磁場轉(zhuǎn)速；

（2）超同步運行：風力發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速如果高于氣隙旋轉(zhuǎn)的磁場轉(zhuǎn)速；

（3）同步運行：風力發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速如果等于氣隙旋轉(zhuǎn)的磁場轉(zhuǎn)速。

2.2 DFIG 風力機槳距角控制仿真模型

在風力機模型中，風力機的平均風速是12m/s，風速Vw 可以通過外部控制，實現(xiàn)在不同時刻增大或減小的調(diào)節(jié)。同時，風速可以模擬陣風、噪音等干擾條件下的情況。

槳距角控制模型如圖5 所示，采用功率跟蹤和轉(zhuǎn)速跟蹤作為調(diào)節(jié)槳距角的目的，在風速大于風機額定風速12m/s 時，槳距角控制投入。通過改變槳距角，改變Cp。

圖5 槳距角控制模型

仿真模型詳細考慮了風速變化、風力機、槳距角控制、功率變換控制系統(tǒng)等，高度接近實際典型風力發(fā)電機，具有較好的準確性。