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）

調節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的調整也可以達到調節的目的。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，而發電機所輸出的相應功率則依據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的調整，進而確保發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。

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電機輸出功率恒定，此外，在電網故障下可以通過控制風輪轉速來提高風力發電機組的暫態穩定性。

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Cp為葉尖速比λ 和槳距角β 的函數。

風能利用系數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節裝置可以通過風輪機轉子轉速的偏差量進行相應的調整，即轉速控制；還能夠利用風組輸出的功率加以調整，即功率控制。

而在本文則依據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，而在電網故障時則使用轉速控制的形式。

本次PI 控制槳距角，其主要整體的結構干分簡單，而且反應的速度也特別快。

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，針對槳距伺服驅動的系統加以建模。

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（包括一階延時系統）；KP為比例增益系數；β0=0°為初始槳距角；ΔP=PG-Pref為風力發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 雙饋異步風力發電機（DFIG）

2.1 DFIG 工作原理

以DFIG 為基礎的風電系統被廣泛使用。而依據轉子轉速發生的實際變化來講，DFIG 主要有三種運行的狀態，具體如下所示：

（1）亞同步運行：風力發電機的實際轉速如果低于氣隙旋轉的磁場轉速；

（2）超同步運行：風力發電機的實際轉速如果高于氣隙旋轉的磁場轉速；

（3）同步運行：風力發電機的實際轉速如果等于氣隙旋轉的磁場轉速。

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，實現在不同時刻增大或減小的調節。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，采用功率跟蹤和轉速跟蹤作為調節槳距角的目的，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、功率變換控制系統等，高度接近實際典型風力發電機，具有較好的準確性。