3.5 变速机组的控制系统
3.5.1 机组的特点
3.5.1.1 变速变距型机组控制系统构成
控制系统是风电机组安全运行的大脑指挥中心，控制系统的安全运行就是机组安全运行的保证，各类机型中，变速变距型风电机组控制技术较复杂，其控制系统主要由主控制器、桨距调节器和功率控制器（转矩控制器）三部分组成。系统构成如图3-29所示。
图3-29 变速变距风电机组控制系统构成图
（1）主控制器主要完成机组运行逻辑控制，如偏航、对风、解绕等，并在桨距调节器和功率控制器之间进行协调控制。
（2）桨距调节器主要完成叶片节距调节，控制叶片桨距角，在额定风速之下，保持最大风能捕获效率；在额定风速之上，限制功率输出。
（3）功率控制器主要完成变速恒频控制，保证上网电能质量，与电网同压、同频、同相输出，在额定风速之下，在最大升力桨距角位置，调节发电机、叶轮转速，保持最佳叶尖速比运行，达到最大风能捕获效率；在额定风速之上，配合变桨距机构，最大恒功率输出。小范围内的抑制功率波动，由功率控制器驱动变流器完成，大范围内的超功率由变桨距控制完成。典型的模态线性化变速变距机组模型如图3-30所示。
图3-30 典型的模态线性化变速变距机组模型图
变速风力发电机组近年来发展并应用到大型风力发电机组主流机型中。与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于：低风速时它能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳，其功率曲线如图3-31所示。因而在更大容量上，变速风力发电机组有可能取代恒速风力发电机组而成为风力发电的主力机型。
图3-31 变速风力发电机组的功率曲线图
变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现。在额定风速以下时，主要是调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比因此可作为跟踪问题来处理；在高于额定风速时，主要通过变桨距系统变桨叶节距来限制风力机获取能量，使风力发电机组保持在额定值下发电，并使系统失速负荷最小化。可以将风力发电机组作为一个连续的随机的非线性多变量系统来考虑。采用带输出反馈的线性二次最佳控制技术，根据已知系统的有效模型，设计出满足变速风力发电机组运行要求的控制器。一台变速风力发电机组通常需要两个控制器，一个通过电力电子装置控制发电机的反力矩，另一个通过伺服系统控制桨叶节距。
由于风力机可获取的能量随风速的三次方增加，因此当输入量大幅度地、快速地变化时，要求控制增益也随之改变，通常用工业标准PID型控制系统作为风力发电机组的控制器。在变速风力发电机组的研究中，也有采用适应性控制技术的方案，比较成功的是带非线性卡尔曼滤波器的状态空间模型参考适应性控制器的应用。由于适应性控制算法每一步的计算工作量远超过简单PI控制器的，因此用户需要增加额外的设备及开发费用，其实用性仍在进一步探讨中。近年来，由于模糊逻辑控制技术在工业控制领域的巨大成功，基于模糊逻辑控制的智能控制技术也引入到了变速风力发电机组控制系统的研究中，并取得了成效。
3.5.1.2 基本特性
1.风力机的特性
风力机的特性通常由一簇功率系数CP的无因次性能曲线来表示，功率系数是风力机叶尖速比λ的函数，如图3-32所示。
图3-32 风力机性能曲线图
CP（λ）曲线是桨叶节距角的函数。从图上可以看到CP（λ）曲线对桨叶节距角的变化规律；当桨叶节距角逐渐增大时CP（λ）曲线将显著地缩小。如果保持节距角不变，可以用一条曲线来描述λ的函数性能和表示从风能中获取的最大功率。图3-33是一条典型的CP（λ）曲线。
图3-33 定桨距风力机的性能曲线图
叶尖速比可以表示为
式中 ωr——风力机风轮角速度，rad／s；
R——叶片半径，m；
v——主导风速，m／s；
vT——叶尖线速度，m／s。
对于恒速风力发电机组，发电机转速的变化只比同步转速高百分之几，但风速的变化范围可以很宽。按式（3-2），叶尖速比可以在很宽的范围内变化。因此它只有很小的机会运行在CPmax点。由第二章公式（2-15）可知，在风速给定的情况下，风轮获得的功率将取决于功率系数。如果在任何风速下，风力机都能在CPmax点运行，便可增加其输出功率。根据图3-33，在任何风速下，只要使得风轮的叶尖速比λ=λopt，就可维持风力机在CPmax下运行。因此，风速变化时，只要调节风轮转速，使其叶尖速度与风速之比保持不变，就可获得最佳的功率系数，图3-34所示，就是变速风力发电机组进行转速控制的基本目标。
根据图3-33，获得最佳功率系数的条件是
λ=λopt=9
图3-34 变转速控制
这时，CP=CPmax=0.43，从而风能中获取的机械功率为
式中 k——常系数，k=1 2ρs。
设vTS为同步转速下的叶尖线速度，即
式中 nS——在发电机同步转速下的风轮转速。
对于任何其他转速nr，有
根据式（3-1）和式（3-3）～式（3-5），可以建立给定风速v与最佳转差率s（最佳转差率是指在该转差率下，发电机转速使得风力机运行在最佳的功率系数CPmax）的关系式
这样，对于给定风速的相应转差率可由式（3-6）来计算。但是由于风速测量的不可靠性，很难建立转速与风速之间直接的对应关系。实际上我们并不是根据风速变化来调整转速的。为了不用风速控制风力机，可以修改功率表达式，以消除对风速的依赖关系，按已知的CPmax和λopt计算Popt。如用转速代替风速，则可以导出功率是转速的函数，最佳功率Popt与转速的立方成正比，即
从理论上讲，输出功率是无限的，它是风速立方的函数。但实际上，由于机械强度和其他物理性能的限制，输出功率是有限度的，超过这个限度，风力发电机组的某些部分便不能工作。因此变速风力发电机组受到两个基本限制：①功率限制，所有电路及电力电子器件受功率限制；②转速限制，所有旋转部件的机械强度受转速限制。
2.风力机的转矩——速度特性
图3-35是风力机在不同风速下的转矩——速度特性曲线。由转矩、转速和功率的限制线划出的区域为风力机安全运行区域，即图中由OABC所围的区域。在这个区间中有若干种可能的控制方式。恒速运行的风力机的工作点为直线XY，恒速风力机只有一个工作点运行在CPmax曲线上。变速运行的风力机的工作点是由若干条曲线组成，其中在额定风速以下的ab段运行在CPmax曲线上。a点与b点的转速即为变速运行的转速范围。由于b点已达到转速极限，此后直到最大功率点，转速将保持不变，即bc段为转速恒定区，运行方式与定桨距风力机相同。在c点，功率已达到限制点，当风速继续增加，风力机将沿着cd线运行以保持最大功率，但必须通过某种控制来降低CP值，限制气动力转距。如果不采用变桨距方法，可以降低风力机的转速，使桨叶失速程度逐渐加深以限制气动力转矩。从图3-35可以看出，在额定风速以下运行时，变速风力发电机组并没有始终运行在最大CP线上，而是由两个运行段组成。除了风力发机组的旋转部件受到机械强度的限制原因以外，还由于在保持最大CP值时，风轮功率的增加与风速的三次方成正比，需要对风轮转速或桨叶节距作大幅调整才能稳定功率输出，这将给控制系统的设计带来困难。
图3-35 不同风速下的转矩——速度特性曲线图
3.5.1.3 控制方式
变速风力发电机组的基本构成如图3-36 所示。为了达到变速控制的要求，变速风力发电机组通常包含变速发电机、整流器、逆变器和变桨距机构。变速发电机目前主要采用双馈异步发电机。在低于额定风速时，通过整流器及逆变器来控制双馈异步发电机的电磁转矩，实现对风力机的转速控制；在高于额定风速时，考虑传动系统对变化负荷的承受能力，一般采用调节节距的方法将多余的能量除去。这时，机组有两个控制环同时工作，分别是内部的发电机转速（电磁转矩）控制环和外部桨叶节距控制环。
图3-36 变速风力发电机组的基本结构图
1.双馈异步发电机
如图3-37所示，双馈异步发电机由绕线转子感应发电机和在转子电路上带有整流器和直流侧连接的逆变器组成。发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过逆变器从转子输出的功率。风力机的机械速度是允许随着风速而变化的。通过对发电机的控制使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使在整个运行速度的范围内均有最佳功率系数。
图3-37 交流励磁双馈式发电机组结构图
2.低速永磁同步发电机
同步发电机的转速和电网频率之间是刚性耦合，如果原动力是风力，那么变化的风速将给发电机输入变化的能量，这不仅给风力机带来高负荷和冲击力，而且不能以优化方式运行。如果在发电机和电网之间使用频率转换器的话，转速和电网频率之间的耦合问题将得以解决。变频器的使用，使风力发电机组可以在不同的速度下运行，并且使发电机内部的转矩得以控制，从而减轻传动系统应力。通过对变频器电流的控制，可以控制发电机转矩，而控制电磁转矩就可以控制风力机的转速，使之达到最佳运行状态。
带变频系统的同步发电机结构如图3-38所示，同步发电机和变频系统在风力发电机组中的应用已有实验样机的测试结果，系统在不同转速下运行情况良好。实验表明，通过控制电磁转矩和实现同步发电机的变速运行，并减缓在传动系统上的冲击是可以实现的。如果考虑变频器连接在定子上，同步发电机或许比感应发电机更适用些。感应发电机会产生滞后的功率因数且需要进行补偿，而同步发电机可以控制励磁来调节它的功率因数，使功率因数达到1。所以在相同的条件下，同步发电机的调速范围比异步发电机更宽。异步发电机要靠加大转差率才能提高转矩，而同步发电机只要加大功角就能增大转矩。因此，同步发电机比异步发电机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的响应。
图3-38 永磁同步风力发电机组结构图
3.5.2 基本控制策略
3.5.2.1 变速风力发电机组的运行区域
变速机型与恒速机型相比，其优越性在于低风速时它能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能利用系数，高风速时利用风轮转速变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳。与变桨距风力发电机组类似，变速风力发电机组的运行根据不同的风况可分三个不同阶段。
（1）第一阶段是启动阶段，发电机转速从静止上升到切入速度。对于目前大多数风力发电机组来说，风力发电机组的起动只要当作用在风轮上的风速达到起动风速便可实现（发电机被用作电动机来起动风轮并加速到切入速度的情况例外）。在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风力作用下作机械转动，因而并不涉及发电机变速的控制。
（2）第二阶段是风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的区域，风力发电机组开始获得能量并转换成电能。这一阶段决定了变速风力发电机组的运行方式。从理论上说，根据风速的变化，风轮可在限定的任何转速下运行，以便最大限度地获取能量，但由于受到运行转速的限制，不得不将该阶段分成两个运行区域；即变速运行区域（CP恒定区）和恒速运行区域。为了使风轮能在CP恒定区运行，必须设计一种变速发电机，使其转速能够被控制以跟踪风速的变化。
（3）在更高的风速下，风力发电机组的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持在限定值以下，这个限制就确定了变速风力发电机组的第三运行阶段，该阶段称为功率恒定区，对于定速风力发电机组，风速增大，能量转换效率反而降低，而从风力中可获得的能量与风速的三次方成正比，这样对变速风力发电机组来说，有很大的余地可以提高能量的获取。例如，利用第三阶段的大风速波动特点，将风力机转速充分地控制在高速状态，并适时地将动能转换成电能。
图3-39是输出功率为转速和风速的函数的风力发电机组的等值线图。图中显示出了变速风力发电机组的控制途径。在低风速段，按恒定CP（或恒定叶尖速比）途径控制风力发电机组，直到转速达到极限，然后按恒定转速控制机组，直到功率达到最大，最后按恒定功率控制机组。
图3-39 还显示出了风轮转速随风速的变化情况。在CP恒定区，转速随风速呈线性变化，斜率与λopt成正比。转速达到极限后，便保持不变。转速随风速增大而减少时功率恒定区开始，转速与风速呈线性关系，因为在该区域λ与CP是线性关系。为使功率保持恒定，CP必须设置为与1/v3成正比的函数。
图3-39 典型风力发电机组的等值线图
3.5.2.2 理想情况下总的控制策略
根据变速风力发电机组在不同区域的运行，我们将基本控制策略确定为：低于额定风速时，跟踪CPmax曲线，以获得最大能量；高于额定风速时，跟踪CPmax曲线，并保持输出稳定。
分析工程原理时先假定变速风力发电机组的桨叶节距角恒定。当风速达到起动风速后，风轮转速由零增大到发电机可以切入的转速，CP值不断上升，风力发电机组开始作发电运行。通过对发电机转速进行控制，风力发电机组逐渐进入CP恒定区（CP=CPmax），这时机组在最佳状态下运行。随着风速增大，转速亦增大，最终达到一个允许的最大值，这时，只要功率低于允许的最大功率，转速便保持恒定。在转速恒定区，随着风速增大，CP值减少，但功率仍然增大。达到功率极限后，机组进入功率恒定区，这时随风速的增大，转速必须降低，使叶尖速比减少的速度比在转速恒定区更快，从而使风力发电机组在更小的CP值下作恒功率运行。图3-40表示了变速风力发电机组在三个工作区运行时CP值的变化情况。
图3-40 三个工作区的CP值变化情况图
（a）CP恒定区；（b）转速恒定区；（c）功率恒定区
（1）CP恒定区。在CP恒定区，风力发电机组受到给定的功率—转速曲线控制。Popt的给定参考值随转速变化，由转速反馈算出。Popt以计算值为依据，连续控制发电机输出功率，使其跟踪Popt 曲线变化。用目标功率与发电机实测功率的偏差驱动系统使其达到平衡。
功率—转速特性曲线的形状由CPmax和λopt决定。图3-41给出不同风速下转速变化时风力发电机组功率与目标功率的关系。
图3-41中，假定风速是v2，点A2是转速为1200r/min时发电机的工作点，点A1是风力机的工作点，它们都不是最佳点。由于风力机的机械功率大于电功率，过剩功率使转速增大（产生加速功率），随着转速增大，目标功率遵循Popt曲线持续增大。同样，风力机的工作点也沿v2曲线变化。工作点A1和A2最终将在A3点交汇，风力机和发电机在A3点功率达成平衡。
图3-41 最佳功率和风轮转速
当风速是v3，发电机转速大约是2000r/min。发电机的工作点是B2，风力机的工作点是B1，由于发电机负荷大于风力机产生的机械功率，故风轮转速减小。随着风轮转速的减小，发电机功率不断修正，沿Popt曲线变化。风力机械输出功率沿v3曲线变化。随着风轮转速降低，风轮功率与发电机功率之差减小，最终两者将在B3点交汇。
（2）转速恒定区。如果保持CPmax（或λopt）恒定，即使没有达到额定功率，发电机最终将达到其转速极限。此后风力机进入转速恒定区。在这个区域，随着风速增大，发电机转速保持恒定，功率在达到极值之前一直增大。控制系统按转速控制方式工作。风力机在较小的λ 区（CPmax的左面）工作。图3-42给出了发电机在转速恒定区的控制方案。
其中n为转速当前值，Δn 为设定的转速增量，nr为转速限制值。
图3-42 转速恒定区控制方案图
（3）功率恒定区。随着功率增大，发电机和变流器将最终达到其功率极限。在功率恒定区，必须靠降低发电机的转速使功率低于其极限。随着风速增大，发电机转速降低，使CP值迅速降低，从而保持功率不变。
增大发电机负荷可以降低转速。只是风力机惯性较大，要降低发电机转速，需要将动能转换为电能。其中n为转速当前值，Δn 为设定的转速增量。如图3-43所示，以恒定速度降低转速，从而限制动能变成电能的能量转换。这样，为降低转速，发电机不仅有功率抵消风的气动能量，而且抵消惯性释放的能量。因此，要考虑发电机和变流器两者的功率极限，避免在转速降低过程中释放过多功率。例如，把风轮转速降低率限制到1（r/min）/s，按风力机的惯性，这大约相当于额定功率的10%。
图3-43 恒定功率的实现图
由于系统惯性较大，必须增大发电机的功率极限，使其大于风力机的功率极限，以便有足够空间承接风轮转速降低所释放的能量。这样，一旦发电机的输出功率高于设定点，就会直接控制风轮，以降低其转速。因此，当转速慢慢降低，在功率重新低于功率极限以前，功率会有一个变化范围。
高于额定风速时，变速风力发电机组的变速能力主要用来提高传动系统的柔性。为了获得良好的动态特性和稳定性，在高于额定风速的条件下采用节距控制，由此得到了更为理想的效果。在变速风力机的开发过程中，对采用单一的转速控制和加入变桨距控制两种方法均作了大量的实验研究。结果表明：在高于额定风速的条件下，加入变桨距调节的风力发电机组，显著提高了传动系统的柔性及输出的稳定性。因为在高于额定风速时，追求的是稳定的功率输出。采用变桨距调节，可以限制转速变化的幅度。当桨叶节距角向增大方向变化时，CP值得到了迅速有效的调整，从而控制了由转速引起的发电机反力矩及输出电压的变化。采用转速与节距双重调节，虽然增加了额外的变桨距机构和相应的控制系统的复杂性，但由于改善了控制系统的动态特性，仍然被普遍认为是变速风力发电机组理想的控制方案。
在低于额定风速的条件下，变速风力发电机组的基本控制目标是跟踪CPmax曲线。改变桨叶节距角会迅速降低功率系数CP值，这与控制目标是相违背的，因此在低于额定风速的情况下加入变桨距调节是不合适的。