变速风力发电系统控制技术综述

电力自动化设备

ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．３Ｍａｒ．２００８

变速风力发电系统控制技术综述

凌

禹，张同庄

（中国矿业大学信电学院，江苏徐州２２１００８）

摘要：基于某变速风力发电机的输出功率曲线，针对风力发电系统在中低风速时所具备的提高风能利用系数的潜能，对直驱式风力发电系统在中低风速时追踪最大风能所采取控制策略如功率搜索算法、最大功率控制小信号扰动法进行了详细的对比和论述，并可以看出后者利用小信号扰动法可以实现系统平均功率达到最大值，而且方法简单，易于实现；对双馈感应电机风力发电机系统的控制策略如基于气隙磁场定向的矢量控制策略、基于定子磁场定向的矢量控制策略进行了分析比较，可以发现二者都能实现有功和无功的解耦同时不需测风速，但后者模型更加简单。对智能控制在实现最大风能追踪中的应用进行了详细的比较研究。关键词：变速风力发电；控制技术；综述中图分类号：ＴＭ３１５

文献标识码：Ａ

文章编号：１００６－６０４７（２００８）０３－０１２２－０４是保持节距角不变，利用发电机转距控制和偏航系统对风力发电系统进行控制。Ｃ区即额定功率区。当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态。

现有多种实现变速恒频的发电方式，其中最具优势的是风轮直接驱动低速同步发电机系统即直驱式风力发电系统和交流励磁双馈发电机风力系统。下面就这２种风力发电系统在Ｂ区运行的控制策略作重点阐述。

变速风力发电机组是集空气动力、电机制造、液压传动、电力电子技术、计算机控制技术为一体的新型风力发电机。该种风力发电机的核心技术是基于电力电子和计算机控制技术的控制系统设计。其设计的基本目标是保证机组可靠运行、获取最大风能、提供良好的电力质量。

１变速风力发电机运行区域［１－６］

变速风力发电机组主要有３个运行区域。图１给出了某风力发电机以风速为自变量的输出功率曲线。风力发电机３个主要的运行区域如图１标注所示。５ｍ／ｓ风速左侧的实线部分属于Ａ区。在该区，主要完成风力发电机的启动。大约５ｍ／ｓ风速到１４ｍ／ｓ风速之间的实线部分属于Ｂ区。在该区，主要实现风力发电机的最大风能捕获。按照贝兹原理，风力发电机的理论最大利用风能被称为贝兹理论极限值。贝兹理论极限值曲线如图１所示，此时，风力发电机风能利用系数为０．５９３。但能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风轮和发电机的型式而异，因此，风力发电机的实际风能利用系数小于０．５９３。而使用各种控制策略的目的就是尽最大可能地接近贝兹理论极限值曲线。改变节距角、发电机转距控制、偏航控制在这个区都可以使用。然而，往往

２０００１５００Ｐ／ｋＷ１０００５００

Ａ区０

５

风能

２

２．１

直驱式风力发电机控制技术

Ｃｐ＝１

损耗

理想功率曲线

（贝兹极限值）

基本结构和原理

图２给出了典型的直驱式风力发电系统拓扑结构，其中虚线框内的电路为ｂｕｃｋ－ｂｏｏｓｔ电路。在ｔｏｎ期间，ＶＴ导通，ＶＤ反偏关断，此时电感电压ＵＬ＝Ｕｉｎ。在ｔｏｆｆ期间，ＶＴ关断，电感储能以自感电势形式释放，ＶＤ导通，此时负载电压平均值与输入电压极性相反，且有电感电压ＵＬ＝Ｕｏ。考虑到一个周期内电感电压积分平均值为零的事实，即由此得：

（１）Ｕｉｎｔｏｎ＋Ｕｏｔｏｆｆ＝０

占空比ｄ定义为

（２）ｄ＝ｔｏｎ／（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）

由式（１）（２）得：

（３）Ｕｏ／Ｕｉｎ＝ｄ／（ｄ－１）

Ｉｄ

ＶＤ

－＋

电网

Ｃｐ＝０．５９３

切出Ｃ区

实际功率曲线风

速Ｂ区

＋＋＋＋

ＶＴ

ＵｄＵＵＬＵｏ

ｉｎ

－－－－同步发电机

１０１５

・ｖ／（ｍｓ－１）

２０２５

最大功率控制

图１功率曲线

Ｆｉｇ．１Ｐｏｗｅｒｃｕｒｖｅｓ

收稿日期：２００７－０１－０８；修回日期：２００７－０４－１８

图２实现最大风能利用的风力发电系统结构

Ｆｉｇ．２Ｗｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｍａｘｉｍｕｍｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ

第３期凌禹，等：变速风力发电系统控制技术综述

式（３）说明，当占空比ｄ≤０．５时，Ｕｏ≤Ｕｉｎ，输出电压Ｕｏ下降；当占空比ｄ＞０．５时，Ｕｏ＞

输出电压反极性。Ｕｉｎ，输出电压Ｕｏ上升，且输入、

［７－８］

２．２最大功率搜索算法

图３给出了某一风力发电机以占空比为自变量的输出功率特性曲线。

Ｐ

Ａ

Ｂ

ｉｄＩ２Ｉ１Ｉ３

ＰＰ２Ｐ１Ｐ３

ａ３

功率曲线

ａ２ａ１

Ｄｍ

０ｄ

２π

４π

ωｔＯ

ｄ３ｄ１ｄ２

０ωｔ２π

ｔ４πω４πｄ

ｄＰ／ｄｄ＝０

ｄＰ／ｄｄ＞０ｄＰ／ｄｄ＜０

ｄ２

风速增加

ｄ１ｄ３０

２π

图４最大功率扰动法控制原理

Ｆｉｇ．４Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｍａｌｌｓｉｇｎａｌｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｍｅｔｈｏｄ

Ｏ

ｄ

ｄ１＝Ｋ（Ｉ２－Ｉ３）ｄｔ

\"（５）

图３风力发电机输出功率特性曲线

Ｆｉｇ．３Ｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ

ｃｕｒｖｅｓｏｆｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ

该曲线被一条虚线分成Ａ、Ｂ两部分。可看出，输出有功功率近似与占空比成比例。如图３所示，以某一风速下输出功率特性曲线为例，在Ａ区，ｄＰ／ｄｄ＞０，当ｄＰ＞０且ｄｄ＞０时，工作点正向着最大功率处靠近，此时，为了系统工作在最大功率处，需继续增加占空比。当ｄＰ＜０且ｄｄ＜０时，工作点正背离最大功率处，此时需改变工作点的移动方向同时要增加占空比；在Ｂ区，ｄＰ／ｄｄ＜０，当ｄＰ＞０且ｄｄ＜０时，工作点正向着最大功率处靠近，此时，为了系统工作在最大功率处，需继续减小占空比。当ｄＰ＜０且ｄｄ＞０时，工作点正背离最大功率处，此时需改变工作点的移动方向同时要减小占空比。基于以上分析，可以采用软件编程的方法实现［６］，这种方法能很好地实现最大风能的利用，但是由于风能的随意性以及一些参数的不确定性，风能利用系数仍然不是很理想。而利用智能控制的解决方案是目前比较理想的途径［８］。２．３最大功率控制小信号扰动法［９－１０］

依据风力发电机以占空比为自变量的输出功率特性曲线（图３、４所示），最大功率控制扰动法的基本思想是：在系统中注入小幅正弦波信号，此信号和控制器输出进行重叠，形成斩波器控制信号；控制器输出是通过在正弦波信号的极大值点和极小值点时刻分别对输出电流采样，利用采样值差的积分产生的，其工作原理如图４所示。设正弦波扰动信号的幅

。当系统工作在Ａ区时，假定系值为Ｄｍ，角频率为ω

统工作在ａ１点，其对应的占空比为ｄ１，正弦波信号产生的扰动量在ｄ２和ｄ３之间连续变化，则此时瞬时占空比ｄ为

（４）ｄ＝ｄ１＋Ｄｍｓｉｎωｔ

在输出电压恒定时，输出功率与输出电流成正比，当测得来自电流检测回路的电流时，占空比ｄ１由下式决定：

系统工作在Ａ区时，随着占空比的增大，系统输出功率增大，此时的占空比ｄ应向顶点方向增大。当系统工作在Ｂ区时，随着占空比的增大，系统输出功率减小，此时的占空比ｄ应向顶点方向减小。当测得来自电流检测回路的电流Ｉ２＝Ｉ３时，Δｄ＝０，这时占空比稳定在最大点上。当系统达到最大点时，输出电

。利用小信号流ｉｄ和扰动信号之间的相位差为９０°

扰动法可以实现系统平均功率达到最大值，而且方法简单，易于实现。实验验证其具有良好追踪最大风能的性能［９］。

文献［１１］提出采用基于无源性控制方案下的浆距角和触发角双输入控制方案，通过选择适当的状态稳态特性和注入阻尼的方法，将风能的最大捕获与系统的全局稳定性相结合，设计出了一种对风速变化和参数摄动具有鲁棒性且使风电系统具有良好动态特性的控制系统。仿真结果显示，对于具有随机性风速变化和变参数风电系统，该控制策略可以实现风能的最大捕获。但没有实验验证的报道。

３

３．１

双馈感应电机风力发电机系统控制技术

基本结构和原理［１２］交流励磁变速

电网

恒频发电系统原理性示意图如图５所

转子侧励

示。发电机为双馈磁变频器感应发电机，定子绕交流励磁

双馈发电机组并网，转子绕组外

接三相转差频率变图５交流励磁双馈风力

发电系统原理频器实现交流励磁。

Ｆｉｇ．５ＶＳＣＦｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎ

当发电机转子旋转

ｗｉｎｄ－ｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

频率ｆΩ变化时，控

制转子励磁电流频率ｆ２确保定子输出频率ｆ１恒定。设ｐ为极对数，则有

（６）ｆ１／ｐ＝ｆΩ＋ｆ２／ｐ在不计铁耗和机械损耗的情况下，可以得到双

电力自动化设备

馈发电机的能量流动关系：

第２８卷

Ｐｍｅｃｈ＋Ｐ２＝Ｐ１＋ＰＣｕ１＋ＰＣｕ２Ｐ２＝ｓ（Ｐ１＋ＰＣｕ１）＋ＰＣｕ２

式中

（７）

Ｐｍｅｃｈ为转子轴上输入的机械功率；Ｐ２为转子励磁输入的电功率；Ｐ１为定子输出的电功率；ＰＣｕ１为定子绕组铜耗；ＰＣｕ２为转子绕组铜耗；ｓ为

转差率。在忽略定、转子绕组铜耗条件下，可近似为

（８）由此可知，当发电机处于亚同步速运行时，ｓ＞０，Ｐ２＞０，变频器向转子绕组送入有功功率；当发电机处于超同步速运行时，ｓ＜０，Ｐ２＜０，转子绕组向变频器送入有功功率；当发电机处于同步速运行时，ｓ＝０，Ｐ２＝０，变频器不向转子绕组提供有功功率。３．２矢量控制

在基于同步电动机变频调速的矢量控制策略中，由于转子接变频器的结构特点，目前应用在双馈电机变速恒频风力发电系统（ＶＳＣＦ－ＤＦＩＧ）的励磁控制中主要有两大类，即基于气隙磁场定向的矢量控制策略和基于定子气隙磁场定向的矢量控制策略。３．２．１基于气隙磁场定向的矢量控制［１３］

气隙磁场定向即是将同步轴线的ｄ轴与ＶＳＣＦ－ＤＦＩＧ的气隙磁场相量重合，推导出基于气隙磁场定向的ＶＳＣＦ－ＤＦＩＧ稳态下有功、无功解耦的励磁控制模型：

Ｐ２≈ｓＰ１

Ｐ１＝－ｕｓｑｉｒｑ

Ｑ１＝ｕｓｑｉｒｑ－ｕｓｑφｍ／Ｍ

其中，励磁电压和励磁电流的关系为

（９）

ｉｒｄ＝ｕｒｄ／Ｒ２

ｉｒｑ＝（ｕｒｑ－ｕｓｑ＋ω２φｍ）／Ｒ２

（１０）

该励磁控制模型在推导中忽略了定子漏阻抗和

转子漏感，同时近似地认为气隙磁链为常数，在很大程度上造成励磁控制模型的精度下降。另外，在实际控制系统中不容易准确做到气隙磁场的定向，往往使控制系统更复杂。

３．２．２基于定子磁场定向的矢量控制［１３－１４］

由于在气隙磁场定向的矢量控制中考虑定子漏阻抗的影响时，往往使得定子端电压矢量和矢量参

无功分量的计考轴之间有较大的相位差，同时有功、

算会变得相当复杂，影响控制系统的实时性处理。因此，目前较多文献采用了定子磁场定向的矢量控制方法，它是将同步轴的ｄ轴与ＶＳＣＦ－ＤＦＩＧ的定子磁场相量重合，推导出基于定子磁场定向的ＶＳＣＦ

无功解耦的励磁控制模型：－ＤＦＩＧ稳态下有功、

Ｐ１＝－ｕｓｑｉｒｑＭ／Ｌ１Ｑ１＝ｕｓｑ（φｓ－Ｍｉｒｄ）／Ｌ１

（１１）

由于定子频率一般为工频，使得在推导励磁控

制模型时忽略定子电阻不会带来较大的误差，并且以定子磁场定向时，控制系统可以变得较为简单，但是也存在着定子磁链近似为常数的问题。在文献［１４］的仿真研究和实验验证中，表明该励磁控制模

型的精度较高。

文献［１３］提到了多标量励磁控制策略。其优点是控制系统简单，但由于控制标量是通过控制励磁电压的频率，进而控制转子电流矢量的位置来实现的，并且其数学模型实现的前提是定子磁链为常数，因而在实际控制中往往导致其有功、无功的近似解耦以及动态响应性能较差。３．３智能控制

传统的变速控制模式需要首先建立一个有效的系统模型，而由于空气动力学的不确定性和电力电子模型的复杂性，不容易确定系统模型。因此，基于某些有效系统模型的控制也仅适合某个特定的系统和一定的工作周期。由于这些原因，基于智能控制技术被引入了风力发电系统控制领域。智能控制利用其非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服变参数与非线性因素。

与传统的控制策略相比，模糊控制的优势在于模糊逻辑控制器无需数学模型即可由微处理执行功能。不论是在非线性的系统还是多变量系统中，如风力发电机组控制系统，特别是当系统数学模型未知和不确定时，都能产生令人满意的效果。文献［１５］介绍了利用模糊逻辑控制实现对风能的最大利用，但它的主要缺点是控制精度不高，会出现稳态误差，模糊规则的确定需要专家知识，缺乏自适应能力。先进的模糊控制算法如自适应模糊控制、模糊神经网络控制等在风电领域中应用的研究也正在展开。研究先进的模糊控制算法及其在风力发电机中的应用，改善控制性能，是风电控制的主要研究热点之一。而人工神经网络具有可任意逼近任何非线性模型的非线性映射能力，其自学习和自收敛性的特点最适宜自适应控制器的设计。文献［１６］针对变速风力发电系统提出了一种自适应反馈线性化控制器，该控制器通过对涡轮轴转矩的自适应估算，将其作为参考转矩来进行控制。仿真结果表明，该控制器能够获取最大可用风能，控制效果良好。文献［１７］使用模糊逻辑推理系统得到低风速时的发电机参考转速，该方法无需测量风速，避免了风速测量的不精确性。而文献［２］提出一种新型自适应控制器，它利用一种直觉自适应规则来寻求最佳增益以完成最大风能的捕获，并在实际的变速风力发电系统中得到了应用，实现了设计的预期目的。但是实时参数的估计是自适应控制的主要缺点，因为它需要大量时间。

各种控制理论各有优缺点，针对不同的控制目标选用不同的控制策略是工程设计优先考虑的问题。有时需要综合使用不同的控制策略。文献［１］使用模糊逻辑控制进行电压和功率调节，使用神经网络控制桨距调节及预测风轮气动特性，实验证明，该方案克服了上述策略的缺点，达到了最大能量的获取、保证可靠运行，提供良好的发电质量的控制目标。

４结语

变速风力发电系统追踪最大风能是其控制的主

第３期凌禹，等：变速风力发电系统控制技术综述

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（责任编辑：李玲）

要目标之一。基于此详细分析和对比了直驱式风力发电系统和双馈感应电机风力发电机系统追踪最大风能的主要控制策略，希望对研究人员的研究工作和风力发电技术的进步提供有意义的帮助。参考文献：

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［１３］

［１４］

［１５］

［１６］

［１７］

作者简介：

凌禹（１９７５－），男，山西阳高人，硕士研究生，主要研究方向为风力发电控制技术（Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｌｅａｓｕｒｅｌｙ＠１２６．ｃｏｍ）；

张同庄（１９６４－），男，河北沧州人，副教授，博士，主要研究方向为电力电子与电力传动。

Ｓｕｍｍａｒｙｏｆｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｆｏｒｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄｗｉｎｄ－ｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ

ＬＩＮＧＹｕ，ＺＨＡＮＧＴｏｎｇｚｈｕａｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ２２１００８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｃｕｒｖｅｓｏｆａｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄｗｉｎｄ－ｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｆｏｒｔｒａｃｉｎｇｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｗｉｎｄｐｏｗｅｒａｔｍｉｄｄｌｅａｎｄｌｏｗｗｉｎｄｓｐｅｅｄａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｆｏｒｄｉｒｅｃｔｌｙ－ｄｒｉｖｅｎｗｉｎｄ－ｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄａｎｄｓｍａｌｌｓｉｇｎａｌｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｍｅｔｈｏｄａｒｅｄｅｔａｉｌｅｄ．Ｔｈｅｓｍａｌｌｓｉｇｎａｌｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｍｅｔｈｏｄｉｓｓｉｍｐｌｅａｎｄｅａｓｙｉｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｏｍａｋｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｖｅｒａｇｅｐｏｗｅｒｍａｘｉｍｕｍ．Ｆｏｒｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｗｉｎｄ－ｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｂａｓｅｄｏｎａｉｒ－ｇａｐｆｉｅｌｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｓｔａｔｏｒｆｉｅｌｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｒｅｄｅｔａｉｌｅｄ．Ｂｏｔｈｃａｎｄｅｃｏｕｐｌｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｒｏｍｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｗｉｔｈｏｕｔｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｗｉｎｄｓｐｅｅｄ，ｂｕｔｔｈｅｌａｔｔｅｒｉｓｓｉｍｐｌｅｒ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌａｒｅａｌｓｏｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄｗｉｎｄ－ｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｓｕｍｍａｒｙ