关于风力发电机组控制技术的研究

【摘要】风力发电机组控制系统是风力发电机的核心系统，因此研究控制技术具有重要的现实意义，可靠保证了风力发电机组的经济、安全并网运行。本文对风力发电机组控制技术及相关软件改进进行系统地阐述。

【关键词】风力发电机组；控制；控制技术

【 abstract 】 wind power generation unit control system is the core of the wind power generator system, so the control technology has the important practical significance, reliable guarantee for wind power generators economic, security parallel operation. In this paper, the wind generator control technology and related software improvement for this system.

【 keywords 】 wind power generators; Control; Control technology

0.引言

随着经济节约型社会的逐步推进，风能作为清洁的可再生能源，实现风力发电也越来越受到人们关注。然而面对风况的可变性（锋速的大小、方向的随机性）以及风电场中风力发电机组布置的分散性，要实现风电低成本、超大规模开发利用，作为其可靠、高效运行的关键技术，控制技术需要进行不断地改进，并具有广阔的研究前景。

1.风力发电机组控制系统构成

风力发电机组控制系统由本体系统和电控（总体控制）系统组成，本体系统包括空气动力学系统、发电机系统、变流系统及其附属结构；电控系统由不同的模块构成，主模块包括变桨控制、偏航控制、变流控制等，辅助模块则包括通讯、监控、健康管理控制等。而且，在本体系统与电控系统间实现系统的联系及信号的变换。例如，空气动力系统的桨距由变桨控制系统控制，保证了风能转化的最大化，功率输出的稳定等作用。风轮的自动对风及连续跟踪风向引起电缆缠绕的自动解缆受偏航控制系统控制，分为主、被动迎风两种模式，目前大型并网风电系统多采用主动偏航模式。变流控制常和变桨距系统结合，对变速恒频的运行及最大额定功率进行控制。

根据风电机组不同的分类标准，可将机组控制系统分为不同种类[1]。目前风力发电的主流机型主要是依据桨距特性，发电机类型等分类，通过技术不断改进，控制系统由最先的定桨距恒速恒频控制到变桨距恒速恒频控制,随之发展为变桨距变速恒频控制。此外，据连接电网类型可将风电控制系统分为离网型和并网型，前者已步入大规模稳定发展阶段。后者则成为现阶段控制系统的主要发展方向。

1.1变桨控制

变桨控制是风电机组控制系统的研究重点，其实际上即对功率的控制。相对于定桨距控制无法解决桨叶自动失速，功率不稳的问题，该系统通过改变桨距角，使得在低风速（即低于额定风速）时，风机处于最优的风能捕获状态，桨距保持为零，实现风能的最大利用率；在高风速（即高于额定风速）时，改变攻角变化，降低叶片空气动力转矩，又能达到调节速度、限制功率的目的[2-3]。减小风速、风向可变性对机组的影响。因相应的风轮特性的不同，变桨控制分为主动和被动控制。

1.1.1被动控制

被动控制包括被动失速控制及被动变桨距控制。被动失速控制是最基础的控制，通过桨叶形状的特定性使机组在期望的风速下实现最大额定功率。而被动变桨距控制是通过设计桨叶或是其轮毂，在高风速下，使桨叶在叶片载荷作用下被动转动，实现所需桨距角。被动控制难以准确估计因气动不确定因素影响的功率等级、叶片载荷或叶片扭转量与载荷的匹配。

1.1.2主动控制

主动控制包括主动变桨距控制和主动失速控制。主动变桨距控制是目前最常见的控制方式，在高于额定风速下，快速精确调整统一变桨距或独立变桨距，以限制瞬时风能引起的脉动功率影响。主动失速控制是被动失速与主动变桨距结合的控制方式，额定风速内运行变桨距调节，额定风速外调节桨叶为失速模式。从而降低浆距幅度和速度调节的要求。

1.2偏航控制

偏航系统又称对风装置，是风电机组特有的伺服控制系统，将风向改变的信号经过一系列的控制系统程序，调整风轮与风向一致，保证了风电机组的平稳运转，使得风能高效利用，进而大大降低发电成本并有效保护电机。作为随动系统，连续跟踪风向很可能造成电缆缠绕，偏航系统也具有自动解缆的功能。同样对应不同的风电机组，应用不同的偏航装置，分为尾舵对风、侧风轮对风、伺服电机或调向电机调向，前两者为被动迎风，后者为主动迎风[4]。

1.2.1尾舵对风

尾舵对风常用于微小型风力发电机，在尾杆上按装尾翼，并和风轮轴平行或是成一定角度。

1.2.2侧风轮对风

侧风轮对风常用于中小型风机，风轮后面安装有两个侧风轮（旋转平面垂直