馬小亮

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

變速風(fēng)力發(fā)電的最大風(fēng)能捕獲控制方法

馬小亮

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津 300180）

有兩種最大風(fēng)能捕獲控制策略：轉(zhuǎn)速控制和功率控制。轉(zhuǎn)速控制較直接、好理解，容易被做過電動(dòng)機(jī)調(diào)速的人們接受。但是，大量實(shí)際系統(tǒng)都采用功率控制。分析了轉(zhuǎn)速控制的問題及介紹功率控制的工作原理。最后給出一個(gè)實(shí)用的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制框圖，供參考。

最大風(fēng)能捕獲；轉(zhuǎn)速控制；功率控制；功率和轉(zhuǎn)矩沖擊

1 引言

可再生的綠色新能源開發(fā)是世界與我國最重要和急需解決的任務(wù)之一，風(fēng)力發(fā)電是其中最接近實(shí)用和推廣的一種，已引起人們極大關(guān)注。

風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率是風(fēng)速、轉(zhuǎn)速和槳葉傾角的三維非線性函數(shù)。在槳葉傾角β固定為最小值條件下，輸出功率P／PN與渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速n／nN和風(fēng)速v的關(guān)系示于圖1。從圖1中看出，對(duì)應(yīng)于每個(gè)特定的風(fēng)速v，都有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)，風(fēng)速越高，最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速越高。如果能隨風(fēng)速變化改變轉(zhuǎn)速，使得在所有風(fēng)速下都工作于最大工作點(diǎn)，則發(fā)出電能最多，否則發(fā)電效能將降低，因此功率＞1MW的風(fēng)電機(jī)組都采用變速發(fā)電，以期捕獲最大風(fēng)能。槳葉傾角β控制只在高風(fēng)速時(shí)投入工作，用來限制最大功率輸出和最高轉(zhuǎn)速。

實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲任務(wù)的控制方法有兩種：轉(zhuǎn)速控制和功率控制。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的給定量是從風(fēng)速v和P／PN＝f（n／nN，v）曲線最大點(diǎn)算出的轉(zhuǎn)速給定n＊＝f（v），反饋量是發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n，通過控制使n跟隨其給定n＊變化。功率控制系統(tǒng)的給定量是從發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n和P／PN＝f（n／nN，v）曲線最 大點(diǎn)算出的功率給定P＊＝f（n）關(guān)系，反饋量是從輸出電壓和電流算出的風(fēng)力發(fā)電實(shí)際輸出功率P，通過控制使功率P跟隨其給定P＊變化。

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

轉(zhuǎn)速控制較直接、好理解，特別容易被做過電動(dòng)機(jī)調(diào)速的人們接受。前一段時(shí)間筆者看了許多有關(guān)最大風(fēng)能捕獲的研究報(bào)告和論文，其中不少都基于轉(zhuǎn)速控制，有的還把如何改善調(diào)速性能作為研究目標(biāo)。很遺憾，實(shí)際的最大風(fēng)能捕獲控制大多不用轉(zhuǎn)速控制，而是采用功率控制，本文探討其原因。第2節(jié)分析轉(zhuǎn)速控制的問題，第3節(jié)介紹功率控制的工作原理，最后給出一個(gè)實(shí)際的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制框圖，供參考。

2 轉(zhuǎn)速控制的問題

轉(zhuǎn)速控制的核心是轉(zhuǎn)速給定n＊計(jì)算和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，它的簡(jiǎn)化框圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速控制的簡(jiǎn)化框圖Fig.2 Simplified block diagram of speed control

式中：τG為渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)。

風(fēng)力渦輪機(jī)特性及風(fēng)速從v3增至v2再降回v3過程如圖3所示。該過程中各變量的波形如圖4所示。

假設(shè)初始時(shí)，風(fēng)速穩(wěn)定于v3，位于圖3中A1點(diǎn)。在t＝t1時(shí)，風(fēng)速快速增至v2，工作點(diǎn)由A1移到A2，轉(zhuǎn)速給定n＊和風(fēng)動(dòng)轉(zhuǎn)矩TW相應(yīng)快速

圖3 風(fēng)力渦輪機(jī)特性及調(diào)速過程Fig.3 Wind turbine curves and speed adjusting process

圖4 轉(zhuǎn)速控制的波形示意圖Fig.4 Waveforms of speed control

在t＝t3時(shí)，風(fēng)速快速從v2降回v3，圖3中的工作點(diǎn)由A3移到A4。t3～t4是降速過程，工作點(diǎn)沿v3曲線從A4向A1移動(dòng)，各變量的變化情況與增速過程相反。在這期間ASR的輸出增至負(fù)限幅，TG＝TG.max，相應(yīng)發(fā)電機(jī)輸出功率P也增大，處于高位（P曲線頂部向下斜的原因是：P等于TG和n的乘積，這期間TG不變，而n在降低，所以P也隨之減?。?。

從圖4看出：

1）在加減速期間功率P的變化與期望相反：風(fēng)速加大時(shí)，人們期望隨轉(zhuǎn)速n增大P隨之增加，而現(xiàn)在是在n增大期間P＝0，損失的這部分能量變成了機(jī)械動(dòng)能；風(fēng)速降低時(shí)，人們期望隨轉(zhuǎn)速n減小P隨之下降，而現(xiàn)在是在n減小期間P不降反升，多出來的這部分能量來自機(jī)械動(dòng)能。只有在到達(dá)穩(wěn)定點(diǎn)后，轉(zhuǎn)速控制才能實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲要求。風(fēng)速是一個(gè)極不穩(wěn)定的變量，常以陣風(fēng)形式出現(xiàn)，一會(huì)強(qiáng)一會(huì)弱，經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)，很少有穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致輸出功率P不停的在零和大值間波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)沖擊大。

2）在加速和減速期間轉(zhuǎn)矩TG分別為0和TG.max，由于風(fēng)速極不穩(wěn)定，導(dǎo)致機(jī)械不斷的受到從零到最大值的轉(zhuǎn)矩沖擊，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)危害甚大。

總之，轉(zhuǎn)速控制放大了風(fēng)速波動(dòng)帶來的功率和轉(zhuǎn)矩沖擊，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械的安全運(yùn)行十分有害。

3 功率控制的工作原理

功率控制的核心是發(fā)電機(jī)功率給定P＊計(jì)算和功率調(diào)節(jié)器APR，它的簡(jiǎn)化框圖如圖5所示，沒有轉(zhuǎn)速給定和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。

圖5 功率控制的簡(jiǎn)化框圖Fig.5 Simplified block diagram of power control

渦輪機(jī)特性及風(fēng)速從v3增至v2再降回v3過程仍如圖3所示。該過程中各變量的波形如圖6所示。

連接圖3中各風(fēng)速下的最大功率點(diǎn)，得一條最大功率曲線P＊＝f（n），根據(jù)它和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速n來計(jì)算功率給定量P＊（不涉及風(fēng)速v），送至功率調(diào)節(jié)器APR的輸入，它的反饋信號(hào)是拫據(jù)發(fā)電機(jī)三相電壓和電流瞬時(shí)值算出的功率實(shí)際值P。APR的輸出是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定-T＊G，隨后的轉(zhuǎn)矩控制塊和發(fā)電機(jī)G塊與轉(zhuǎn)速控制（圖2）相同。

圖6 功率控制的波形示意圖Fig.6 Waveforms of power control

初始時(shí)，風(fēng)速穩(wěn)定于v3，位于圖3中A1點(diǎn)。在t＝t1時(shí)，風(fēng)速快速增至v2，工作點(diǎn)由A1移到A2，相應(yīng)風(fēng)動(dòng)功率及轉(zhuǎn)矩TW增至A2點(diǎn)的值。由于慣性時(shí)間常數(shù)τG大，電機(jī)轉(zhuǎn)速來不及變化，n仍為A1點(diǎn)的值，因功率給定根據(jù)n計(jì)算，故功率和轉(zhuǎn)矩給定及它們的實(shí)際值（P和TG）也不變，仍維持A1點(diǎn)的值。這時(shí)TW＞TG，電機(jī)開始緩慢加速。隨n上升，工作點(diǎn)沿V2曲線從A2向A3移動(dòng)，功率給定P＊沿P＊＝f（n）曲線隨之緩慢加大，經(jīng)APR后轉(zhuǎn)矩給定、功率P和轉(zhuǎn)矩實(shí)際值TG也緩慢增加。到t＝t2時(shí)，工作點(diǎn)移動(dòng)到A3，功率P等于風(fēng)動(dòng)功率，轉(zhuǎn)矩TG＝TW，停止加速，穩(wěn)定工作于A3點(diǎn)，這時(shí)功率P等于風(fēng)速＝v2時(shí)的最大功率值，從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。

在t＝t3時(shí)，風(fēng)速快速從v2降回v3，圖3中的工作點(diǎn)由A3移到A4。t3～t4是降速過程，工作點(diǎn)沿v3曲線從A4向A1移動(dòng)，各變量的變化情況與增速過程相反。

從圖6看出，借助于渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的大慣性，在風(fēng)速不斷快速變化時(shí)，發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)被緩和，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械的安全運(yùn)行有利。這是大量實(shí)際系統(tǒng)采用功率控制的原因。

4 應(yīng)用實(shí)例

為了幫助讀者更詳細(xì)的了解實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的最大風(fēng)能捕獲控制系統(tǒng)，在圖7中給出德國SEG公司的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖，從圖7中可以清楚看到它基于功率控制。

圖7中：PGset，QGset，PG，QG為有功和無功功率給定及實(shí)際值。

圖7 SEG公司的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.7 Control block diagram of doubly-fed wind generator from SEG company

5 結(jié)論

風(fēng)電機(jī)組采用變速發(fā)電可以捕獲更多風(fēng)能。有兩種最大風(fēng)能捕獲控制策略—— 轉(zhuǎn)速控制和功率控制。風(fēng)速是一個(gè)不斷快速變化的信號(hào)，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)根據(jù)它來控制轉(zhuǎn)速會(huì)放大發(fā)電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械的安全運(yùn)行有害。功率控制系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速來控制發(fā)電機(jī)功率，借助于機(jī)組的大慣性，能在風(fēng)速不斷快速變化時(shí)緩和功率和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械的安全運(yùn)行有利?；谏鲜鲈颍罅繉?shí)際系統(tǒng)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

馬小亮（1939-），男，教授級(jí)高工，博士生導(dǎo)師，Email：xlm＿td＠sina.com

2010-11-29