1 引言
可再生的綠色新能源開發是世界和我國最重要和急需解決的任務之一，風力發電是其中最接近實用和推廣的一種，己引起人們極大關注。風力發電涉及空氣動力力學、機械、電機和控制諸多技術領域，本文簡單介紹它的電氣控制部分。
本文在介紹控制之前，先簡單說明控制對象的特性—風力渦輪機輸出功率與風速和轉速的關系，作為控制策略制定的基礎。隨后介紹現有的兩大類發電方法:恒速發電(剛性發電)和變速發電(彈性發電)的特點及應用場合。變速發電又有兩類:基于同步發電機的“直接在線”發電和基于繞線異步機(雙饋電機)的“雙饋”發電，它們的主電路及控制系統在第4節中討論。除電機控制系統外，還需要一套槳葉傾角控制，它將在第5節介紹。最后介紹一種新型風力發電機組—錐形轉子機組(柔性發電)的設想，據估計可以節省約30%投資。
2 風力渦輪機特性
風力發電機組輸出給電網的是電功率，在制定控制策略前，需要知道原動機功率與什么有關。風力渦輪機的輸出功率是風速、轉速和槳葉傾角的三維非線性函數。
在槳葉傾角β固定為最小值條件下，輸出功率p/pn與渦輪機轉速n/nn的關系示于圖1。從圖1中看中，對應于每個風速的曲線，都有一個最大輸出功率點，風速越高，最大值點對應的轉速越高。如果能隨風速變化改變轉速，使得在所有風速下都工作于最大工作點，則發出電能最多，否則發電效能將降低。
圖1 p/pn=f(n/nn)
渦輪機轉速、輸出功率還與槳葉傾角β有關，關系曲線示于圖2，圖中橫坐標為槳葉尖速度比λ，縱坐標為輸出功率系數c p。
λ＝ωm r／v (1)
式中:ωm是渦輪機角速度，r是槳葉半徑，ωmr是槳葉尖線速度，v是風速。
圖2 c p=f(λ)
在圖2中，每個傾角對應一條c p=f(λ)曲線，傾角β越大，曲線越靠左下方。每條曲線都有一個上升段和下降段，其中下降段是穩定工作段(若風速和傾角不變，受擾動后轉速增加，λ加大，c p減小，渦輪機輸出機械功率和轉矩減小，轉子減速，返回穩定點)，它是工作區段。在工作區段中，傾角β越大，λ和c p越小。
3 恒速發電和變速發電
現在使用的風力發電技術有兩大類:恒速發電和變速發電。
(1) 恒速發電
恒速發電采用籠形異步電機，其動力系統和電機的機械特性示于圖3。
圖3 恒速發電系統和籠形電機的機械特性
發電時渦輪機拖動異步發電機轉動，轉速略超過同步轉速后，轉差率s和轉矩te變負，電機工作于發電狀態。由于只工作在機械特性的線性區，轉差率很小(s<5%)，風速變化時轉速基本恒定，所以稱恒速發電。隨風速變化，通過調整槳葉傾角(pitch angle)β來控制輸出功率和轉速。
恒速發電的特點:
電氣系統簡單，適合在野外、缺少維護的環境工作。
由圖1知，由于轉速不變，渦輪機只能在某一風速下工作于最大出力點，風速變化時，將偏離最大點，降低發電效率。
轉速不變，輸出功率和轉速的控制全靠傾角控制完成，要求傾角控制響應快，動作次數多，調節機構易疲勞損壞。
強陣風來時，轉速不變，機械承受應力大，要求堅固，所以又稱“剛性”風力發電。
綜合上述特點，恒速發電適合用于小功率，通常不大于600kw。
(2) 變速發電
變速發電采用同步發電機或雙饋發電機(繞線異步機)，風速變化時，轉速也隨之變化，通過電力電子變換器，使電機接入恒頻(50hz)、恒壓電網發電。通常轉速在±33%范圍內變化，風速小時調轉速，強風來時調槳葉傾角β。
由于采用了電力電子變換器，變速發電的電氣系統較復雜，但能取得如下好處:
在不同風速下，渦輪機都工作在最高效率點，提高出力10%。
強陣風來時，轉速適當升高，部分風能貯存于機械慣量中(風力發電機組機械慣量很大)，減小電機電磁轉矩脈動和機械承受的應力，減輕機械強度要求，所以又稱“彈性”風力發電。
由于電磁轉矩脈動小，發出電力的波動小，提高發電質量。
風速小時調轉速，傾角維持最小值不變，傾角控制器不工作。在強風來時傾角控制器才工作，且響應可以減緩，動作次數減少，機構壽命延長。
綜合上述特點，變速發電適合用于大功率，通常大于1000kw。
4 兩種變速發電系統
有兩種變速發電系統:采用同步發電機的直接在線系統和采用雙饋電機(繞線異步機)的雙饋系統。
(1) 同步發電機的直接在線系統
直接在線系統示于圖4，同步電動機輸出的頻率和電壓隨轉速變化的交流電，經一臺單象限igbt電壓型交-直-交變頻器接至恒壓、恒頻(50hz)電網。
圖4 同步發電機的直接在線系統
直接在線系統的特點:
發電機發出的全部電功率都通過變頻器，變頻器容量需按100％功率選取，比雙饋系統容量大，投資和損耗大，諧波吸收麻煩。
可以使用永磁發電機，電機輕，效率高，變換器增加的投資可以從機械結構的節約中得到補償。
變頻器中的交－直變換可以用二極管整流+直流斬波，簡單。
(2) 采用雙饋電機(繞線異步機)的雙饋系統
雙饋系統示于圖5，繞線異步機的定子直接聯電網，轉子經四象限igbt電壓型交-直-交變頻器接電網。
圖5 采用雙饋電機的雙饋系統
轉子電壓和頻率比例于電機轉差率，隨轉速變化而變化，變頻器把轉差頻率的轉差功率變換為恒壓、恒頻(50hz)的轉差功率，送至電網。由圖5
p=ps-pr ; pr=sps ; p=(1-s)ps (2)
式中:p是送至電網總功率，ps和pr分別是定子和轉子功率。
轉速高于同步速時，轉差率s<0，轉差功率流出轉子，經變頻送至電網，電網收到的功率為定、轉子功率之和，大于定子功率;轉速低于同步速時，s>0，轉差功率從電網，經變頻器流入轉子，電網收到的功率為定、轉子輸出功率之差，小于定子功率。
雙饋系統的特點:
在變頻器中僅流過轉差功率，其容量小，通常按發電總功率的25％左右選取(轉速變化范圍±33％)，投資和損耗小，發電效率提高2-3％，諧波吸收方便。
由于要求雙方向功率流過變頻器，它必須是四象限雙pwm變頻器，由兩套igbt變換器構成，價格約是同容量單象限變頻器的一倍。
只能使用雙饋電機，比永磁電機重，效率低。
綜上，兩種變速發電系統都有應用，其中以雙饋系統應用較多。
5 變速發電的控制
變速發電不是根據風速信號控制功率和轉速，而是根據轉速信號控制，因為風速信號擾動大，而轉速信號較平穩和準確(機組慣量大)。
(1) 三段控制要求
低風速段(n<nn)，按輸出最大功率要求進行變速控制
聯接不同風速下渦輪機功率-轉速曲線的最大值點，得target=f(n)關系，把ptarget作為變頻器的給定量，通過控制，使風力發電實際輸出功率p=ptarget。圖6是風速變化時的調速過程示意圖。設開始工作于a2點，風速增大至v2后，由于慣性影響，轉速還沒來得變，工作點從a2移至a1，這時渦輪機產生的機械功率大于電機發出的電功率，機組加速，沿對應于v2的曲線向a3移動，最后穩定于a3點。風速減小至v3時的轉速下降過程也類似，將沿b2-b1-b3軌跡運動。
圖6 調速過程示意圖
中風速段為過渡區段，電機轉速己達額定值(n= n n)，而功率尚未達到額定值(p<p n)。傾角控制器投入工作，風速增加時，控制器限制轉速升，而功率則隨風速增加上升，直至p=p n。
高風速段為功率和轉速均被限制區段(n=n n，p= p n)，風速增加時，轉速靠傾角控制器限制，功率靠變頻器限制(限制ptarget值)。
(2) 雙饋系統的變頻器控制
雙饋系統變頻器由電機側pwm變換器和電網側pwm變換器兩部分組成，控制框圖示于圖7和圖8，其中圖8是圖7中電網側pwm變換器的控制框圖。
圖7 雙饋系統變流器控制框圖
圖8 電網側pwm變換器控制框圖
雙饋系統電機側pwm變換器控制的輸入給定量為送至電網的總有功功率設定pg set和總無功功率設定qg set。pg set按ptarget=f(n)曲線設定(含最大值限制)，qg set根據電網所需無功量設定，也可設為零(功率因數=1)。經有功功率及無功功率兩個pi調節器的總有功電流和無功電流給定值，計及式(2)關系，得定子電流和轉子電流的有功和無功分量給定值，通過基于矢量變換的電流控制(解耦和旋轉模塊)，使定、轉子電的有功和無功分量實際值(is dq 和ir dq)分別等于其給定值。旋轉模塊所需之角度信號fvs是定子電壓向量vs的相位角(用三相電壓信號計算得到)，fvs－f r是fvs角與用編碼器測得的轉子位置角φr之差。
電網側pwm變換器控制的輸入給定量為直流母線電壓給定信號vdc set，經直流電壓pi調節器，輸出該變換器輸入電流igc的有功分量給定igc p set。通常設定igc的無功分量給定igc q set =0。通過由兩個直流電流pi調節器和兩個旋轉模塊構成的基于矢量變換的電流控制，使變換器輸入電流igc的有功和無功分量實際值分別等于其給定值。旋轉模塊所需之角度信號也是定子電壓向量vs的相位角fvs。若轉速高于同步速，轉差率s<0，igc p set<0，表示有功電流從變換器流入電網，這時如果風速增大，更多功率從電機轉子流出，直流母線電壓vdc將升高，igc p set的數值將加大(更負)，更多的有功電流經電網側變換器流向電網，vdc回落，直至返回設定值vdc set。
(3) 槳葉傾角控制
槳葉傾角控制通過液壓執行機構來實現，它在變速控制中的任務是:在轉速隨風速增加升至額定轉速后，通過加大傾角β來維持轉速不變。由于傾角與渦輪機功率、轉速之間存在非線性關系，宜采用非線性或智能控制器，但目前工程上使用的仍大多是線性pid控制器。要用線性控制器去控制非線性對象，必須使閉環控制限于小信號，輸出量的大范圍變化宜通過改變開環設定量實現。系統框圖示于圖9。
圖9 槳葉傾角控制系統框圖
圖9中傾角β主要由開環給定量βref所決定，βref從維持n=nn要求出發，通過用風速信號和渦輪機特性計算得到。閉環系統的給定是額定角速度ωref=(2πnn)/60，反饋量是角速度實際值ωr，pid控制器的輸出是傾角給定的校正量δβ，通過閉環校正開環給定誤差，使轉速實際值維持在其額定值附近不變。在低風速段，控制器輸出置零(δβ=0)，βref設置到最小值，傾角被固定在最小位置。為防止機件疲勞損壞，需減少執行機構的動作次數，因此在控制器中設置了不靈敏區，偏差小于設定值時，執行機構不動作。
6 試驗結果
德國seg公司生產的1500kw雙饋式變速風力發電機組運行波形示于圖10，從圖10中看出:
圖10 1500kw變速發電機組運行波形
(1) 在轉速n<nn=1800r/min期間，傾角控制不工作;在n達1800r/min到后，傾角控制才開始工作，維持輸出功率在1500kw和轉速在1800r/min左右，基本不變，波形中微小的波動是由于傾角控制響應滯后造成的。
(2) 在t=450s附近，一股強陣風突然吹來，風速達17m/s，轉速短期升至約1940r/min，把部分風能貯存在機組轉子的慣量中，輸出功率和轉矩僅很小波動，這就是變速發電的“彈性”效果。
7 一個設想—錐形轉子(coning rotor)風力發電機
錐形轉子(coning rotor)風力發電機是一種新型風力發電技術的設想，有可能在近期實現，其外形示于圖11。
圖11 錐形轉子風力發電機外形
錐形轉子風力發電機的特點是:
(1) 槳葉向后傾斜，呈錐形，隨風力加大，傾斜角度越大，受力減少，結構強度和重量減小;
(2) 塔體由圓筒結構改為用牽索拉緊的桁架結構;
(3) 采用直接驅動的低速風冷永磁同步發電機，取消增速箱，簡化機構，可靠(圖12)。(雙饋電機常用風-水冷卻，1500r/min，需要增速箱);
圖12 旋轉部分示意
(4) 若維持傾角液壓系統適當壓力不變，根據仿真結果，有可能省去傾角閉環控制;
(5) 變速發電, 永磁同步發電機通過一套單象限變頻器接至電網, 電機側變換器為二極管整流+直流斬波, 簡單;
(6) 由于風力發電中機械部分的價格占80％以上，估計錐形轉子風機可節省投資30％左右。
變頻器的主電路示于圖13，由帶直流斬波的整流器(電機側變換器)和dc-ac逆變器(電網側變換器)兩大部分構成?？刂瓶驁D示于圖14，其中變頻器中電網側變換器控制同圖8，本圖中不再畫出。
圖13 變頻器主電路
圖14 變頻器控制框圖
由圖14，有功功率(pg)調節器輸出直流電流(idc)給定值，經斬波器電流控制，使pg和idc的實際值分別等于它們的給定值。無功功率(qg)調節器輸出電網側無功電流(igc q )給定值，送至電網側變換器(逆變器)控制系統(圖8)，使qg和igc q 的實際值分別等于它們的給定值。
8 結束語
(1) 變速發電適合用于1000kw以上機組，是當今主流;
(2) 變速發電有同步發電機和雙饋異步發電機兩個方案;
(3) 變速發電機組的控制有變流器控制和傾角控制兩大部分:低風速，變流器功率-轉速控制;高風速，傾角控制;
(4) 錐形轉子風力發電機組可能是發展方向。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
