趙海軍

（中廣核風(fēng)電公司 內(nèi)蒙古分公司響泉風(fēng)電場，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟026000）

0 引言

在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天，風(fēng)能的開發(fā)利用具有積極的戰(zhàn)略意義。特別是在能源供求日趨緊張的情況下，風(fēng)能作為一種替代能源的意義就更加突出。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行方式和控制技術(shù)的不同可以分為恒速恒頻系統(tǒng)和變速恒頻系統(tǒng)，其中變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠更高效地利用風(fēng)能。

并網(wǎng)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由風(fēng)輪、齒輪箱（在直驅(qū)方式中已略去齒輪箱）、發(fā)電機(jī)和變流設(shè)備組成，如圖1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框國所示。風(fēng)輪的作用是捕捉風(fēng)能，并將之轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；發(fā)電機(jī)則將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；變流設(shè)備將發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率幅值隨風(fēng)速波動(dòng)的交流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻同幅的交流電，然后饋送至電網(wǎng)。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括2種運(yùn)行狀態(tài)：

1）最大風(fēng)能追蹤狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著風(fēng)速的波動(dòng)而不斷變化，以維持最佳葉尖速比及最大風(fēng)能利用系數(shù)，從而有效提高風(fēng)機(jī)的輸出功率。

2）額定功率運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，通過調(diào)節(jié)葉片槳距角和抑制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，降低風(fēng)輪的風(fēng)能捕獲效率，保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行在額定工作點(diǎn)附近。

可見，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行控制在不同的運(yùn)行狀態(tài)有不同的控制策略：

1）最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT控制）：當(dāng)實(shí)際風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制，保證機(jī)組運(yùn)行在最大風(fēng)能追蹤狀態(tài)下，最大限度地捕獲風(fēng)能。

2）恒功率控制：當(dāng)實(shí)際風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度、發(fā)電機(jī)容量和變頻器容量等限制，必須降低風(fēng)輪捕獲的能量，使功率保持在額定值附近。

實(shí)際的風(fēng)電機(jī)組常通過電氣功率調(diào)節(jié)和葉片技術(shù)2種手段實(shí)現(xiàn)上述控制目標(biāo)。前者是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)和變流設(shè)備的電氣功率來改變風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而間接改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)化風(fēng)能的效率；后者主要利用葉片的空氣動(dòng)力學(xué)特性，如變槳距技術(shù)和失速狀態(tài)，來直接改變風(fēng)輪的捕風(fēng)效率。

下面，本文將對MPPT控制策略和恒功率控制策略的原理及它們常用的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究和總結(jié)。

1 MPPT控制

1.1 MPPT控制的原理

根據(jù)貝茲理論，風(fēng)輪從風(fēng)能中吸收的功率可以表示為：

式中：P 為空氣密度，kg/m3；R 為風(fēng)輪的半徑，m；v 為風(fēng)速，m/s；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，反映了風(fēng)輪機(jī)利用風(fēng)能的效率，它是葉尖速比λ和葉片槳距角β的函數(shù)。而葉尖速比為：

式中：ωr為風(fēng)輪機(jī)械角速度，rad·s。

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于最大風(fēng)能追蹤狀態(tài)時(shí)，槳距角固定。此時(shí)，Cp的值決定于λ。對于特定的風(fēng)力機(jī)，其Cp－λ曲線是一定的。

可見，當(dāng)λ為λopt時(shí)風(fēng)力機(jī)達(dá)到最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax因而稱λopt為最佳葉尖速比。由式（2）可知當(dāng)λ為λopt時(shí)，不同的風(fēng)速均對應(yīng)一特定的最優(yōu)轉(zhuǎn)速ωropt。

其中，各曲線最優(yōu)功率點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為最優(yōu)轉(zhuǎn)速ωropt。連接各曲線的最優(yōu)功率點(diǎn)即得風(fēng)力機(jī)最優(yōu)功率曲線。

MPPT控制的原理即，在不同風(fēng)速下通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速使其始終運(yùn)行于最優(yōu)轉(zhuǎn)速。以保證最佳葉尖速比，進(jìn)而保證風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于最優(yōu)功率曲線上，最大限度地捕獲風(fēng)能。

1.2 MPPT控制的實(shí)現(xiàn)方法

MPPT控制一般采用電磁功率控制方式，目前最大風(fēng)能跟蹤主要有3種控制策略：葉尖速比控制、功率信號(hào)反饋法和爬山搜索法。

1.2.1 葉尖速比法

葉尖速比控制的目的是使風(fēng)力機(jī)的葉尖速比λ始終保持在最佳值λopt上，在任何風(fēng)速時(shí)就可獲得最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。它不斷測量風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算出實(shí)際葉尖速比，將其同最優(yōu)葉尖速比相比較，將其誤差送入控制器，控制器控制逆變器的輸出來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而保證葉尖速比最優(yōu)。

該方案能有效根據(jù)風(fēng)速變化及時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出功率，控制方法簡潔清晰，但是需要知 道風(fēng)力機(jī)特性和測量風(fēng)速，風(fēng)速測量的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。

1.2.2 功率信號(hào)反饋法

該方案不需要知道確切的風(fēng)力機(jī)特性，也不需要相關(guān)的測風(fēng)裝置。當(dāng)風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至發(fā)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)力機(jī)特征參數(shù)計(jì)算出給定功率，并與發(fā)電機(jī)輸出功率的觀測值相比較得到誤差量。經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器），就是對偏差乘以一個(gè)倍數(shù)P，再疊加這個(gè)偏差的積分I作用，利用這個(gè)量實(shí)施控制，調(diào)節(jié)器輸出反饋參數(shù)，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定）給出發(fā)電機(jī)可控參數(shù)值，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電流的大小，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)。

該方案是基于葉尖速比控制方案的修改提高方案，不同之處在于將輸出功率與風(fēng)速之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換成輸出功率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，從而引轉(zhuǎn)速反饋，可使系統(tǒng)工作在最佳功 率負(fù)載線附近，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單、更可靠。

這種方法的缺點(diǎn)是：對于不同的風(fēng)力機(jī)，最大功率曲線需要事先通過仿真或試驗(yàn)測得，這增加了率反饋控制難度和實(shí)際應(yīng)用成本。

通過控制發(fā)電機(jī)輸出功率來間接控制風(fēng)力機(jī)的輸入功率，以實(shí)現(xiàn)需檢測風(fēng)速的最大功率點(diǎn)跟蹤。也有文獻(xiàn)將功率信號(hào)反饋法與爬山法相結(jié)合設(shè)計(jì)了一種混合控制略，克服了功率信號(hào)反饋法的缺陷。

2 恒功率控制

2.1 恒功率控制的原理

由1.1節(jié)可知，Cp是葉尖速比λ和葉片槳距角β的函數(shù)典型Cp（λ，β）曲線。

可知：1）當(dāng)λ為恒定值時(shí)，增大槳距角β則Cp減?。t色虛線所示）；2）當(dāng)λ為恒定值時(shí)，λ偏離最佳葉尖速比λopt時(shí)，Cp迅速減小。

恒功率控制的原理即，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，通過調(diào)節(jié)葉尖速比λ或槳距角β（或同時(shí)調(diào)節(jié)λ和β）以減小Cp值，從而減少風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能，保證風(fēng)力機(jī)處于額定功率運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 恒功率控制的實(shí)現(xiàn)方法

額定風(fēng)速上的恒功率控制的實(shí)現(xiàn)方法主要是葉片技術(shù)，應(yīng)用較廣泛的是定槳距失速控制和變槳距控制。

2.2.1 定槳距失速控制

該控制方式利用槳葉翼型本身的失速特性，在高于額定風(fēng)速下，氣流的功角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生紊流，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速減小，導(dǎo)致葉尖速比減小，即降低風(fēng)能利用效率，達(dá)到限制功率的目的。采用這種方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)簡單可靠，但為了產(chǎn)生失速效應(yīng)，導(dǎo)致葉片重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)組的整體效率較低，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)必須停機(jī)。

2.2.2 變槳距控制

該控制方式通過調(diào)節(jié)風(fēng)葉的槳距角，改變氣流對葉片功角，從而改變風(fēng)輪獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，使得當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率保持恒定。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)涵蓋面廣，控制對象復(fù)雜的非線性隨機(jī)系統(tǒng)，因而其變槳距控制是一類非線性多變量控制問題。 變槳距控制策略有傳統(tǒng)的PI控制及其改進(jìn)控制策略，也有先進(jìn)的智能控制，例如模糊控制、滑膜控制、非線性魯棒控制和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制等。

PID控制雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是對于不同的風(fēng)機(jī)需要進(jìn)行大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)才能確定最優(yōu)的PID控制參數(shù)，并且當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行偏離平衡點(diǎn)時(shí)，其控制性能嚴(yán)重降低甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

許多學(xué)者將模糊控制法用于設(shè)計(jì)變槳距控制器，取得了較好的控制效果。此外，非線性 魯棒控制、滑膜變結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、變論域自適應(yīng)模糊等先進(jìn)控制策略也在變槳距控制中得到應(yīng)用。

3 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)廣泛的領(lǐng)域的研究前景，人們繼續(xù)增加他們的重視程度，及其相關(guān)領(lǐng)域正在發(fā)生著日新月異的變化。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略對系統(tǒng)效率，安全性和供電質(zhì)量有直接關(guān)系。 MPPT控制，最優(yōu)控制，基于智能控制的最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略將是未來的發(fā)展方向。通過經(jīng)典的控制，以先進(jìn)的智能控制，恒功率控制的控制處理的對象的局部線性化方法研制而成的線性控制，更好地整合系統(tǒng)的非線性特性，提高控制器和系統(tǒng)控制的魯棒性的效果。