风力发电机：高于额定风速时的功率控制

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1、第四编!风力发电机的控制与供电质量技术#######################################第八章!高于额定风速时的功率控制风力发电机组的变速运行可以使机组在风速大范围内变化时增加能量的获得，但在高风速状态下，能量的获取将受到机组物理性能的限制。风力机的风轮转速和能量转换必须低于某个极限值，否则各部件的机械和疲劳强度就受到挑战。因此在高风速下，当风速作大幅变化时，保持发电机恒定的功率输出，并使风力发电机组的传动系统具有良好的柔性，是高于额定风速时控制系统的基本目标。在这一运行区域，变速风力发电机组的控制系统主要是通过调节风力机的功率系

2、数，将功率输出限制在允许范围之内；同时使发电机转速能随功率的输入作快速变化，这样发电机就可以在允许的转速范围内持续工作并保持传动系统良好的柔性。通常采用两个方法控制风轮的功率系数，一是控制变速发电机的反力矩，通过改变发电机转速来改变风轮的叶尖速比；二是改变桨叶节距角以改变空气动力转矩。在目前的技术水平下两种方法都是可行的。本章主要介绍使用比例积分（"#）和干扰调节控制（$%&），通过改变桨叶节距角来控制风轮的功率系数，以满足风力发电机组运行时对各种物理量进行限制的要求。为了讨论这一问题，我们先介绍一种用来进行控制器设计和动力学模拟的风轮动力学非线性模型。对两

3、种控制形式通过定性分析来考察其可行性，并作了一些定量的测试，以比较它们性能的差异。结果$%&和"#两种方式显示了类似的性能，"#控制略胜一筹，且其设计比$%&的设计更适用于风力发电机组。第一节!动态模型的建立用于分析的模型是一个普通的变距、变速直接驱动型风力发电机组。为了使得到的结果能够反映风力发电机组的真实特性，模型采用了真实风力机物理特性的全部几何和空气动力参数。该设计已用于许多国家风能实验室的变速风力发电机组试验台。一、一阶模型由于风力机与发电机采用直接驱动方式联接，这是一个最简单的数学模型，但这个模型能够反映变速风力发电机组的基本动态特性*!(’()

4、),-.,/（0.1）*+式中!’(———风轮的转动惯量；!(———风轮转动的角速度；,-———风轮的气动转矩；·322·第四编6风力发电机的控制与供电质量技术#######################################!———发电机获得的转矩。发电机的惯性矩被忽略不计，因为它是相对于"#的高阶小量。二、非线性气动力转矩表达式气动力转矩了!$由下式表示：&’!$%!(（!"，#）)*$（+,’）’另外，从风轮获取风能的公式&-%!*(（."，#）（+,/）’可见，转矩系数与功率系数有关(（."，#）%"(（!"，#）（+,0）上式说明通过改

5、变叶尖速比来调节转矩系数(!将影响功率输出。反映风力机上(!随"和#而变化的情况如图+,&上的曲面所示，（产生这个曲面的数值是-)1--(给出的。-)1--(是基于叶片基元理论和显示叶尖损失及失速运行试验模型的空气动力学编码）。(!的实际数据取值于&234523节距角范围，但这对于所绘曲面的大部分区域(!值是负数，而风力机在大多数情况下工作在(!为正值的区域。图示为了更清晰地表明(!曲面的正值区域，将所有负值区域置2。从物理学角度看，图+,&区域中叶片节距角#较低（相对于大攻角），叶尖速比"也较低（高风速、低转速）的区域表示失速运行。图+,&6将负值置2后(

6、!对桨叶节距和叶尖速比的关系曲面三、线性化虽然风轮的非线性动态特性是可以模拟的，但线性控制理论给出于更大范围的选择，因此我们仍然设法将系统线性化。将式（+,’）线性化后代入式（+,&），我们得到系统的线性模型7%#"#%&’%#9(’$9)’#（+,:）78·50:·第四编!风力发电机的控制与供电质量技术#######################################式中!!""、!#和!$———对选定的运行点""#$，##$和$#$的差分；%、&和’———线性系数，表示影响风力机角加速度的动态变量的程度。为了简化模型，假定在运行点（我们用下标

7、#$表示）%&’#$(%)’#（$这可以在变速发电机上设反转矩为恒值来实现），线性系数可由下列表达式给出：("+"(,%&(*"(,-##$(""#$()#$("+"(,%%(*"(,-##$[.,%’#$/)#$](##$()#$("+".(,%’(*"(,##$#$($#$($1式中，0(*2-。.注意到确定线性系数时，,%曲面的梯度必须以运行点来计算。四、运行点的选择运行点的选择是保持风力机稳定运行的关键，图3/.给出了在给定的节距角$下,$和,%随着叶尖速比的变化而变化情况。,%的峰值给出了理论上的失速和未失速的条件。叶尖速比在峰值右面的数值，即,%

8、曲线的梯度为负值（&45），对应于未失速运行。对于叶