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摘要：“大功率等级”、“长叶片”、“高塔筒”的风电机组技术发展，使得兆瓦级风力发电机组控制技术更具有挑战性，因此需要对整机进行准确的动力学建模，分析出各部件的模态，从控制角度避免共振以及减小振动。文章从提升风力发电机组发电性能、降低风力发电机组运行载荷两方面浅谈兆瓦级风力发电机组的控制技术。
关键词：风力发电；控制技术；发电性能；运行载荷
一、引言
风力作为一种无污染的可再生能源，其主要用途是发电，目前风电在电网中所占的比例越来越大。而变速运行风力机以其能最大限度地捕获风能的优点倍受国内外学者的青睐，装机容量与日俱增。
控制系统的好坏直接关系到风力发电机的工作状态、发电量的多少以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决两个问题：发电量和运行载荷；都和风电控制系统密切相关。对此国内外学者进行了大量的研究，取得了一定进展，随着现代控制技术和电力电子技术的发展，为风电控制系统的研究提供了技术基础。
二、技术现状
变速变桨风力发电机组因其发电量高、载荷小、功率品质高等优点已经成为国内外的主流机型。传统的整机控制系统主要包括：闭环发电控制、监督控制、偏航控制。随着风电场址复杂化、风电机组功率等级增大、叶片加长、塔筒增高等技术特点，我们需要在传统控制技术上进行一些特定设计。本文针对风电产业的发展技术特点对整机控制技术进行浅谈。
三、闭环发电控制
闭环控制是基于原理的整机控制，结合空气动力学与自动控制原理，自动调整风力发电机组的运行状态，使风力发电机组运行于预先设定的工作曲线，满足既定的特性。兆瓦级风力发电机组闭环控制的基本目标很简单：1）额定风速以下通过对发电机转矩的控制，调节风轮转速，使风力发电机组实现最优Cp运行，捕获更多风能；2）额定风速以上通过对桨距角的控制，维持风力发电机在额定功率稳定运行。
考虑到整机其他结构件如变桨执行结构、齿轮箱、传动链、塔架等载荷因素，闭环控制的目标一般还需考虑：
避免过多的变桨动作、减小齿轮箱转矩波动、减小塔架振动以及抑制传动链振荡
下述章节将围绕转矩-转速控制、变桨-转速控制、降载控制对兆瓦级风力发电机组控制技术进行描述。
（一）转矩-转速控制
转矩-转速控制就是采用以发电机转速和转速设定点差值作为控制变量的变速控制策略。控制区段为额定风速以下，控制方式为在发电机气隙中产生一个要求的转矩，引导风力发电机组加速或减速，从而使风轮运行在期望的转速附近，以保证风力发电机组时时运行在最优叶尖速比，进而保证风力发电机组的最大功率吸收。控制原理简述如下：
由叶片的空气动力学特性，风力发电机组从风中捕获的能量为：
动，动态改变发电机组转速，发电机组转速的控制通过给定发电机组转矩实现。
转矩控制一般采用PI控制，PI控制器的传递函数形式为：
（二）变桨-转速控制
变桨-转速控制是通过动态调节叶片桨距角来控制风力发电机组吸收风能的方法，同时也会对所有由叶轮产生的空气动力载荷产生影响。
额定风速以下时，风力发电机组应最大限度地捕获风能，所以在该段运行区间时，桨距角的设定值应该固定在能够吸收最大功率的最优值（即最优桨距角），并且此时的空气动力载荷通常比在额定风速以上时小，也没必须通过变桨动作来调节载荷。
额定风速以上时，风电机组受机械结构强度、发电机、设计要求等条件限制，必须通过变桨，减小风能捕获，减小载荷，使风电机组维持在额定功率稳定运行。在此阶段，发电机转速给定为额定值，因此可通过增加控制器，使风电机组转速维持在额定转速。
变桨控制器一般采用PI控制，PI控制器的传递函数形式为：
（三）降载控制
随着风力发电系统装机容量的增加，叶轮半径的增大，风力发电机组在运行过程中主要部件受到的载荷已逐渐成为一个影响风力发电机组运行性能和使用寿命的重要因素。因此，减小风力发电机组在运行过程中主要部件载荷的降载控制具有显著的研究意义和现实意义，尤其是对于大叶片的低风速风力发电机组。本章节主要针对风力发电机组塔架前后振动和传动链扭振现象，提出相应的降载控制策略。
在变桨距控制器中引入塔架前后振动加速度反馈的控制方法，塔架前后振动加速度反馈的引入有效地增大了风力发电机组塔架的等效阻尼，减小了风力发电机组塔架前后振动现象。
在转矩控制器中分别引入传动链加阻和阻尼滤波器，通过增加附加转矩的方法来增加塔传动系统的等效阻尼，抑制了传动链扭振现象。
四、监督控制
监督控制即整机运行状态控制，指风力发电机组由一种运行状态到另一种运行状态转换过度的过程控制。监督控制一般包括以下几种运行状态：
●待机
●启动
●发电运行
●正常停机
●故障停机
当然，为了便于控制还可以设置其他工作状态，或者将上述工作状态进一步细分。只要确定了从一个状态向另一个状态的转换条件，监督控制将完成所需的系列控制。
监督控制能够综合分析风况、温度、电网以及风机各部件的运行情况，
判断并控制风机运行期间的状态转移，保证风电机组的运行安全。
在风机的正常发电运行过程中如果发生故障，则状态监督控制系统会根据故障的严重等级程度采用不同的风机停机方式，包括正常停机、快速停机、安全链停机、脱网停机以及紧急停机。经过一段时间后，风机自动复位、自检并判断故障是否消除，如果没有消除，则继续等待，如果消除，则等待风速、环境温度等风机运行条件满足后，进入下一个工作状态。监督控制是一种无人值守，自动运行的智慧控制模式
参考文献：
[1] Tony Burton，武鑫.《风能技术》，科学出版社，2007.
[2] 廖明夫，R.Gasch，J.Twele.《风力发电技术》，西北工业大学出版社，2009.3.
[3] 叶杭冶.《风力发电机组的控制技术》，机械工业出版社，2006。
论文作者:蒋韬
论文发表刊物:《基层建设》2017年第29期
论文发表时间:2018/1/7
标签：风力发电机组论文; 转速论文; 载荷论文; 转矩论文; 风速论文; 风电论文; 技术论文; 《基层建设》2017年第29期论文;