变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制的研究

高福伟

（国华(临朐)风力发电有限公司，山东潍坊，262600）

0 引言

变速恒频风力发电系统是当前最主流的风力发电系统。在额定风速以下运转时，系统需要尽量提升能量转换效率，从而达到提高发电效率的目的。上述目的的实现前提在于，需要对发电机的转矩进行控制，使发电系统根据实际风力改变运行速度。总体而言，变速恒频风力发电系统的核心问题是“控制”，特别是对最大风能的追踪控制，从根本上决定发电效率。

1 变速恒频风力发电系统的运行原理

■1.1 变速恒频风力发电系统中双馈异步风力发电机的基本原理

双馈异步风力发电机是一种绕线式感应发电机，也是变速恒频风力发电系统的核心组成部分[1]。此种发电机的核心构件为电机本体和冷却系统。其中，前者包含定子、转子、轴承系统；后者包含水冷、空冷、空水冷三种常见结构[2]。所谓“双馈”的含义为：定子和转子都能够与电网进行功率交换，该特性远远优于常规的异步发电机（此种发电机只能由电子和电网进行功率交换，转子不能）。在整个双馈感应发电系统中，允许在限定的大范围内进行变速运行。如此一来，转子电流注入变流器之后，变流器便可以执行一项操作—对机械频率和电频率之间的差额进行补偿。无论系统处于正常运转的状态还是发生了故障，发电机的运转状态都会由变流器及与其有关的控制器负责管理。

变流器分为转子侧变流器以及电网侧变流器两个部分，二者之间的关系为“彼此独立控制”。其中，变流器的主要运行原理为：转子侧变流器会对转子电流进行“分量控制”，而这一过程可能同时产生有功功率和无功功率；电网侧变流器会对直流母线电压进行整体控制，主要作用在于：确保变流器运行期间，功率因数始终保持统一性，即始终避免出现无功功率。在此基础上，功率究竟是馈入转子，亦或是自转子中提取而出，完全由传动链当前所处的运行条件而决定。具体而言：如果传动链处于“超同步”状态，则功率会从转子经由变流器，最终馈入电网；如果传动链处于“欠同步”状态，则功率会朝着相反的方向传送。无论哪种状态，定子始终都会向电网馈电。

■1.2 变速恒频风力发电系统的四个运转阶段

变速恒频风力发电系统中，双馈异步风力发电机成为核心部件主要基于如下优点：第一，能够对无功功率进行有效控制，主要通过对转子励磁电流进行独立控制，进而对有功功率和无功功率进行解耦控制；第二，双馈异步风力发电机自身具有“感应”特性，无需经由电网完成励磁作业，而是经由转子电路完成历次作业；第三，能够产生无功功率，并经由电网侧变流器，将无功功率传送给电子[3]。

基于双馈异步风力发电机的变速恒频风力发电系统有四个运行状态，分别为：

(1)启动阶段。系统从静默状态开机，发动机的转速从“零”开始，速度持续上升。以“切入速度”为界限，当发电机的转速达到这一界限时，便进入并网发电阶段；

(2)最大风能追踪阶段。发电机的实际转速已经至少达到切入速度的标准，但相较于“最高转速”还有一定的差距。在此状态下，风力发电机的桨距角处于相对恒定的状态，系统整体处于并网发电的状态。在该阶段，系统的核心目标在于：在持续运行的状态下，尽可能精准地捕捉最大风能。因此，风力发电机的转速处于不断变化的状态，以达到“最大风能利用系数”为主。

(3)恒定转速阶段。风力发电机的转速已经达到最大，但输出功率尚有可提升空间。在此阶段，若要保证机组处于安全运行的状态，则“捕获最大风能”的控制目的需要改变，控制重点需要转变成“控制风力发电机的变桨距”，达到调节桨距角的目的。完成此种转变之后，风力发电机的风能捕获效率会降低，整个系统进入转速恒定发电阶段。

(4)恒定功率阶段。由于风力发电机组的输出功率逐渐增加，最终会达到一个定值。一般情况下，机组的输出功率不应超过额定功率。因此，随着风速的增加，意味着风能加大，为避免功率过高，需要对风力机的变桨距系统进行控制（具体是增大桨距角），实现对实际捕获的风能量的控制，令整个系统的输出功率处于最理想且恒定的状态。

2 风力发电系统最大风能追踪控制方式

■2.1 最大风能追踪控制原理

根据上文所述的变速恒频风力发电系统的四个运转阶段可知，所谓“最大风能追踪控制”需要根据实际风力的大小、发电机组的实时运转状态进行不断调整，最佳状态为：现时风力足以令风力发电机转叶的速度达到额定标准，使风力发电效率达到最高额定水平。但此时，需围绕“风能捕获”进行控制。如果缺少该环节，则转叶转速很可能进一步提升，甚至有失控的风险。总体而言，在风力机的转叶转速达到额定值之后，输出功率才会最大化。而该定值被称为“最佳转速”，达到之后，风力机的“叶尖速比”便会进入最佳状态，风能利用系数也达到峰值。此时便可实现对最大风能的捕获。

总体而言，当风力发电系统处于“变化”状态的风力环境时，必须持续不断地根据风力的具体大小，对风力机的转速进行调整。如果能够使风力机的转速始终与“最佳功率曲线”相契合，便可达到捕获最大风能的目的。在风力发电系统实际运转期间，由于双馈风力发电机带有变速齿轮箱，其作用在于：能够令发电机的转速最高提升到风力机转速的N倍（此处的N并不是随机常数，而是一个定值，即变速齿轮箱的增速比）。因此，对发电机的转速进行有效控制，便可实现“无论风速如何变化，风力机的转速都能够达到最佳转速，进而获得最佳叶尖速比和最大输出功率”的目的。但上述理论只是实验室的提法，在现实中，由于对自然界风速、风力强度的测量精度无法达到实验室的标准，故最佳转速也难以确认。为解决这一问题，需对发电机输出有功功率进行控制，实现对发电机转速的调整，最终在风速精准度不能精细化确定的情况下，使风力发电机达到最大功率。如此一来，“对最大风能的追踪控制”实际上便已形成。

■2.2 最大风能的常见追踪控制方法

2.2.1 最佳叶尖速比法

此种方法的主要原理为：调整风力机的转速，能够让风力机无论处于什么样的风速条件下，都可以将叶尖速比保持在最佳运行状态。此种控制方法的实现前提调键位：风力机当前的转速与风速均需作为“输入量”输进控制系统，对风速测量装置以及风力机转速计算装置的要求较高。

2.2.2 功率信号反馈法

此种方法的原理为：在“最佳功率曲线”已知的情况下，对风力发电机的实时转速进行测量[4]。以该测量值为基础，计算出对应的最大输出功率（该功率具体值能够与最佳功率曲线的某个值互相映照）。对控制器而言，实际输入量为风力机实际输出功率对应的反馈值与其最大功率反馈值之间的“偏差值”。由上文所述的双馈异步风力发电机的运行原理可知，对转子电流进行调节，实际上是通过一种间接的方式，达到调节发电机转速的目的。经过该环节后，发电机实际输出功率与对应的最大功率的变化曲线便可实现“重叠”，此时，风力发电机的运行轨迹变化情况与最大风能曲线几乎完全一致，便可捕获最大风能。

3 一种针对变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制的方法简析

■3.1 最大风能整体追踪控制策略设计

根据上文所述，双馈异步风力发电机是变速恒频风力发电系统的核心构件，针对整个风力发电系统进行控制时，应主要注意对如下两个阶段进行控制：其一，最大风能追踪捕获控制；其二，恒定功率输出控制。本文提出的针对变速恒频风力发电系统最大风能的追踪控制方法主要限制在“对额定风速之下的最大风能”的追踪控制。且由于篇幅所限，只列出对“风速整体不变”情况下的追踪控制方式。具体而言：发电机为双馈异步风力发电机，且以定子输出有功功率替代风力发电机的机械功率，即调节发电机转速时，风力机的转速同样会改变。在此基础上，沿用“变桨距失速控制”原理，在风速额定的情况下，无需调节风力机的桨距角；在风速已经超过额定风速时，通过调节桨距角，令系统整体处于功率恒定（最大功率）的运行状态。

■3.2 控制算法实现原理

3.2.1 原理简析

此种算法是一类（最大功率）点跟踪算法，在“爬山搜索法”的基础上改进而来，即对转速不断增加的过程进行有目的性的“扰动”，使功率逐渐接近并最终达到最大值。（爬山搜索法的几个主要步骤为：第一，在风力的作用下，当发电系统达到切入转速之后，需对风力发电机此时的扇叶转动速度以及输出功率等进行测量；第二，施加一种“扰动步长”，并对此状态下的输出功率进行测量；第三，对前后时刻的输出功率差值、转速差值进行计算；第四，给出下一时刻的参考转速，重复上述循环过程，直到功率达到最大值）。在此基础上，如果系统真正达到最大功率点对应的运行状态时，对系统当前的转速以及输出功率的具体值进行计算并记录。此种改进方式的原理在于：当风力发电系统达到最大功率后，对此时对应的运行状态进行检测，特别是转速和输出功率。有了这两项重要参数之后，风速的动态曲线便可生成。但自然界的风速是不可控的，即使根据气象部门给出的预测，也只能大概将风力变化情况维持在某个区间内，不可能做到精确预知。基于此，常规的爬山搜索法并不是长期有效的。但“爬山搜索法并不是永久有效的”并不意味着“爬山搜索法完全无法应用”，其主要原理依然有参考价值。比如“施加下一次扰动的方向、大小完全根据之前的扰动功率、转速之间的变化关系而决定”与常规的爬山搜索法完全一致。由此导致的结果是，当风速并不处于恒定状态时，无法判断导致风力发电系统功率改变的原因（是由风速的变化还是由之前施加的扰动方向的变化而导致风力发电系统功率变化）。当控制算法因无法清晰界定原因而导致搜索方向发生错误，那么工作点不但不能逐渐接近最大功率点，反而会逐渐远离，最终导致无法对最大功率点进行追踪控制。充分考虑到上述因素之后，需要保证无论风速是否处于变化情况，施加的“扰动”的方向都会是最佳功率曲线方向。只有如此，针对最大风速、最大功率点的搜索方向才会始终保持正确在此基础上，如果系统真正达到最大功率点对应的运行状态时，对系统当前的转速以及输出功率的具体值进行计算并记录。

3.2.2 风速不变情况下“最大功率点”的追踪算法

风速度不变时，风力发电系统的输出功率与发电机转速之间的关系曲线符合“一凸函数”的标准，即只有一个极值点。因此，可对曲线斜率的变化情况进行分析，足以确定最大功率点的搜索方向、步长的具体情况，能够在很短的时间内便搜索到“最大功率点”。根据实际测量结果（风速恒定的情况下，功率与转速会生成特定的关系曲线）可知，如果搜索工作点与最大功率点处于“逐渐远离”状态，那么发电机的转速变化量会对风力机的输出功率产生较大影响；而当搜索工作点与最大功率点逐渐接近，甚至就在最大功率点附近，此时，发电机的转速变化量变不会对风力机的输出功率产生较为明显的影响。进行如此设计之后，最大风能搜索工作点与最大功率点之间便形成了如下数学关系—在曲线上，工作点如果与最大功率点越靠近，则对应斜率的绝对值便会月底；如果二者逐渐疏远，则对应斜率的绝对值变回越来越大。如果二者无限趋近，那么斜率变无限趋近于零。

若要使上述追踪控制思路能够实现，需要引入“模糊控制”机制。而模糊控制器的结构原理为：输入→论域变换→模糊化→模糊推理→清晰化→反论域变换→输出。此外，风速是否处于变化状态决定最大功率点追踪算法处于什么样的工作模式。基于此，在系统开始工作之前，必须对当前风速进行检测。如果忽略该步骤，则会导致测量结果出现偏差。而为了防止系统运行及检测的成本增加。需要对风速的变化情况进行智能检测—依靠风力机在不同风速状态下（变速或匀速）的运行特性进行测量

■3.3 仿真结果

当发电机的转速逐渐接近最佳转速时，风力机的输出功率同样处于不断增加的状态，且风能利用系数也逐渐增大。此时，发电机定子输出有功功率的变化趋势为：先增加、后降低，之后再逐渐增加，直至达到最大之后恒定。

4 结语

针对变速恒频风力发电系统最大风能进行追踪控制的实现原理并不复杂，需要遵循的思路为：根据双馈异步风力发电机以及整个系统的最大输出功率、转速、风能利用系数之间的联系，结合实际风速，保证发电机功率达到最大功率点。满足这一条件，客观上便实现了“对最大风能的有效追踪控制”。