风力发电系统的控制原理

摘要：本文综述了风力发电机组的电气控制。在介绍风力涡轮机特性的基础上介绍了双馈异步发电系统和永磁同步全馈发电系统，具体介绍了双馈异步发电系统的运行过程，最后简单介绍了风力发电系统的一些辅助控制系统。
关键词：风力涡轮机；双馈异步；永磁同步发电系统
概述：
经过20年的发展风力发电系统已经从基本单一的定桨距失速控制发展到全桨叶变距和变速恒频控制，目前主要的两种控制方式是：双馈异步变桨变速恒频控制方式和低速永磁同步变桨变速恒频控制方式。
在讲述风力发电控制系统之前，我们需要了解风力涡轮机输出功率与风速和转速的关系。
风力涡轮机特性：
1，风能利用系数Cp
风力涡轮从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示：
P---风力涡轮实际获得的轴功率
r---空气密度
S---风轮的扫风面积
V---上游风速
根据贝兹（Betz）理论可以推得风力涡轮机的理论最大效率为：Cpmax=0.593。
2，叶尖速比l
为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比l。
n---风轮的转速
w---风轮叫角频率
R---风轮半径
V---上游风速
在桨叶倾角b固定为最小值条件下，输出功率P/Pn与涡轮机转速N/Nn的关系如图1所示。从图1中看，对应于每个风速的曲线，都有一个最大输出功率点，风速越高，最大值点对应得转速越高。如故能随风速变化改变转速，使得在所有风速下都工作于最大工作点，则发出电能最多，否则发电效能将降低。
涡轮机转速、输出功率还与桨叶倾角b有关，关系曲线见图2 。图中横坐标为桨叶尖速度比，纵坐标为输出功率系统Cp。在图2 中，每个倾角对应于一条Cp=f(l)曲线，倾角越大，曲线越靠左下方。每条曲线都有一个上升段和下降段，其中下降段是稳定工作段（若风速和倾角不变，受扰动后转速增加，l加大，Cp减小，涡轮机输出机械功率和转矩减小，转子减速，返回稳定点。）它是工作区段。在工作区段中，倾角越大，l和Cp越小。
3，变速发电的控制
变速发电不是根据风速信号控制功率和转速，而是根据转速信号控制，因为风速信号扰动大，而转速信号较平稳和准确（机组惯量大）。
三段控制要求：
低风速段Ｎ＜Ｎｎ，按输出功率最大功率要求进行变速控制。联接不同风速下涡轮机功率－转速曲线的最大值点，得到ＰＴＡＲＧＥＴ＝ｆ（ｎ）关系，把ＰＴＡＲＧＥＴ作为变频器的给定量，通过控制电机的输出力矩，使风力发电实际输出功率Ｐ＝ＰＴＡＲＧＥＴ。图３是风速变化时的调速过程示意图。设开始工作与Ａ２点，风速增大至Ｖ２后，由于惯性影响，转速还没来得及变化，工作点从Ａ２移至Ａ１，这时涡轮机产生的机械功率大于电机发出的电功率，机组加速，沿对应于Ｖ２的曲线向Ａ３移动，最后稳定于Ａ３点，风速减小至Ｖ３时的转速下降过程也类似，将沿Ｂ２－Ｂ１－Ｂ３轨迹运动。
图３　涡轮机调速过程示意图
中风速段为过渡区段，电机转速已达额定值Ｎ＝Ｎｎ，而功率尚未达到额定值Ｐ＜Ｐｎ。倾角控制器投入工作，风速增加时，控制器限制转速升，而功率则随着风速增加上升，直至Ｐ＝Ｐｎ。
高风速段为功率和转速均被限制区段Ｎ＝Ｎｎ／Ｐ＝Ｐｎ，风速增加时，转速靠倾角控制器限制，功率靠变频器限制（限制ＰＴＡＲＧＥＴ值）。
４，双馈异步风力发电控制系统
双馈异步风力发电系统的示意见图４，绕线异步电动机的定子直接连接电网，转子经四象限ＩＧＢＴ电压型交－直－交变频器接电网。
图４　双馈异步风力发电系统
转子电压和频率比例于电机转差率，随着转速变化而变化，变频器把转差频率的转差功率变为恒压、恒频（５０ＨＺ）的转差功率，送至电网。由图４可知：
Ｐ＝ＰＳ－ＰＲ；ＰＲ＝ＳＰＳ；Ｐ＝（１－Ｓ）ＰＳ
Ｐ是送至电网总功率；ＰＳ和ＰＲ分别是定子和转子功率
转速高于同步速时，转差率Ｓ＜０，转差功率流出转子，经变频器送至电网，电网收到的功率为定、转子功率之和，大于定子功率；转速低于同步转速食，Ｓ＞０，转差功率从电网，经变频器流入转子，电网收到的功率为定、转子输出功率之差，小于定子功率。
５，双馈异步控制系统的运行过程
双馈异步控制系统的结构如图５所示：
图５　双馈异步控制系统的结构图
系统的运行分为两个阶段：
同步阶段：在此过程中风机已经开始转动，当其转速大于启动转速后，充电回路先闭合，使变频器直流电容电压升高，当电压大于８０％额定值后，转子回路主接触器闭合，并且同时断开充电回路接触器。母线电压不断升高至额定值，这时变频器逆变器开始工作，电机转子中有电流，所以在定子中有电压产生，变频器检测电网电压和电机定子电压，通过调节住转子的电压电流，使这两个电压同步，并且闭合定子主接触器，系统便完成了同步切入。
运行阶段：同步切入结束后便进入正常运行阶段，这个时候通过上述的三阶段控制方法使风力发电机输出最大的额定功率。在实际运行中，变频器接收主控制传输过来的两个主要控制信号：功率因数和电机力矩。功率因数信号使变频器输入端的输入功率因数始终为１，电机力矩使风力发电系统始终随着风速变化而输出最大的额定功率。主要的控制方式可以通过矢量控制和直接力矩控制都可以实现上述功能，在这里就不多讲了。
双馈系统在变频器中仅流过转差功率，其容量小，通常按发电总功率的２５％左右选取，投资和损耗小，发电效率高，谐波吸收方便。由于要求双向功率流过变频器，它必须是四象限双ＰＷＭ变频器，由两套ＩＧＢＴ变换器构成，价格是同容量单象限变频器的一倍。而且只能使用双馈电机，效率较低，而且有滑环和碳刷，维护工作量较大。
６，永磁同步全馈风力发电控制系统
永磁同步全馈风力发电控制系统采用采用永磁同步电动机作为发电机，同步电动机输出的频率和电压随转速变化的交流电，经一台双象限ＩＧＢＴ电压型交－直－交变频器接至恒压、恒频电网，如图６所示：
图６　永磁同步全馈风力发电控制系统
目前，永磁同步全馈风力发电系统的最大功率可至５ＭＷ，而且采用低速永磁同步电动机，并且取消了中间的齿轮变速箱，变频器采用双ＰＷＭ型的中压变频器，主要应用在离岸的风力发电场中。
永磁同步全馈风力发电控制系统的运行和双馈系统基本类似，也通过同步切入过程，和正常运行阶段，控制方式也采用上述的三段式控制。
永磁同步全馈风力发电控制系统发电机发出的全部电功率都通过变频器，变频器容量需按１００％功率选取，比双馈系统容量大，投资和损耗大，使用永磁同步发电机，电机轻，取消变速齿轮结构减轻了整机重量，变换器增加的投资可以从机械结构的节约中得到补偿。
７，风力发电系统中的辅助控制系统
这些辅助控制系统由风力发电系统的主控制器控制，主要包括：
桨叶倾角控制系统：
桨叶倾角控制通过液压执行机构来实现，在转速随风速增加升至额定转速后，通过加大倾角来维持转速不变，目前工程上使用线性ＰＩＤ控制器来进行控制。
偏航控制系统：
偏航系统有两个主要目的：一是使风轮跟踪变化稳定的风向，二是当风力发电机组由于偏航作用，机舱内引出的电缆发生缠绕时，自动解除缠绕。偏航系统一般通过控制电机实现。
风机制动系统：
风叶的制动系统采用液压的盘式刹车系统，一般安排在高速轴上。具有三种刹车方式：正常停机方式；安全停车方式；紧急停车方式。
其他安全保护系统：
其他安全保护系统主要有：超速保护、电网失电保护、电气保护（过压，过流．．．）、雷击保护、机舱机械保护、桨叶保护、紧急安全链保护等等。
结束语：
目前风力发电的主要方向：
陆地风力发电机组采用１．５／２Ｍ双馈异步发电机组。
离岸风力发电机组采用４／５Ｍ永磁同步全馈发电机组。
建设大型或者超大型的风力电场（有上百台风力机组组成）。
风力机组控制系统具有防电压穿透功能。
风力发电机组在在线发电时可调节功率因数，在不发电时也可以调节功率因数，进行无功补偿，净化电网。
参考文献：
马小亮“风力发电机组的电气控制”《变频器世界》网络版
叶杭冶《风力发电机组的控制技术》ＩＳＢＮ７－１１１－１０１８７－１
机械工业出版社２００６