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　　變速風力發(fā)電機組于20世紀的最后幾年加人到了大型風力發(fā)電機組主流機型的行列中。與恒速風力發(fā)電機組相比，變速風力發(fā)電機組的優(yōu)越性在于：低風速時它能夠根據(jù)風速變化，在運行中保持最佳尖速比以獲得最大風能；篼風速時利用葉輪轉(zhuǎn)速的變化，儲存或釋放部分能量，提高傳動系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加平穩(wěn)。因而在大容量風力發(fā)電機組中，變速風力發(fā)電機組正在取代恒速風力發(fā)電機組而成為風力發(fā)電的主力機型。

　　變速風力發(fā)電機組的控制主要通過兩個階段來實現(xiàn)。在額定風速以下時，主要通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁阻轉(zhuǎn)矩使風力機轉(zhuǎn)速跟隨風速變化，以獲得最佳葉尖速比；在高于額定風速時，主要通過變距系統(tǒng)改變槳葉節(jié)距來限制風力機獲取能量，使風力發(fā)電機組保持在額定值下發(fā)電。通常將風力發(fā)電機組作為一個連續(xù)的隨機的非線性多變量系統(tǒng)來考慮，可以采用帶輸出反饋的線性二次最佳控制技術，根據(jù)已知系統(tǒng)的有效模型，設計出滿足變速風力發(fā)電機組運行要求的控制器。

　　風力發(fā)電機組的變速運行是建立在交流勵磁變速恒頻發(fā)電技術基礎上的。交流勵磁變速恒頻發(fā)電是在異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子中施加三相低頻交流電流實現(xiàn)勵磁，調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值、頻率、相序，確保發(fā)電機輸出功率恒頻恒壓。同時采用矢量變換控制技術，實現(xiàn)發(fā)電機有功功率、無功功率的獨立調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)有功功率可調(diào)節(jié)風力機轉(zhuǎn)速，進而實現(xiàn)最大風能捕獲的追蹤控制；調(diào)節(jié)無功功率可調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù)，提篼風電機組及所并電網(wǎng)系統(tǒng)的動、靜態(tài)運行穩(wěn)定性。

　　由于現(xiàn)代電力電子技術已能構造出輸人、輸出特性良好，功率可雙向流動的PWM整流-PWM逆變形式的變頻器，將其用作交流勵磁電源不僅能確保同步速上、下的變速恒頻發(fā)電特性，同時能確保發(fā)電質(zhì)量，真正意義上實現(xiàn)綠色能源的綠色變換，使變速恒頻發(fā)電技術具有可持續(xù)發(fā)展的重要特性。

　　采用變速恒頻技術的風力發(fā)電系統(tǒng)是一個復雜的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包含了空氣動力學、機械力學、電工技術、電子技術、控制理論等眾多學科的交叉技術成果，因此必須從系統(tǒng)的角度對其進行綜合的分析研究。本文將首先從分析風力機特性出發(fā)，討論實現(xiàn)最大風能捕獲的風電系統(tǒng)速度控制原則。針對交流勵磁異步發(fā)電機的特性，采用定子磁鏈定向的矢童變換控制策略，獲得發(fā)電機有功、無功的解耦和獨立調(diào)節(jié)能力，進而實現(xiàn)最大風能捕獲的高效發(fā)電運行。最后提供系統(tǒng)仿真研究結(jié)果，以驗證本文提出的控制策略的正確性和有效性。

　　2風力機最大風能捕獲運行機制風力機的特性通常由一族包含功率系數(shù)cP的無因次性能曲線來表達，功率系數(shù)是風力機葉尖速比x的函數(shù)，如圖所示。

　　cPu）曲線是槳葉節(jié)距角的函數(shù)。從圖上可以看到CP（A）曲線對槳葉節(jié)距角的變化規(guī)律：當槳葉節(jié)距角逐漸增大時，CpU）曲線將顯著地縮小。

　　最大功率。是一條典型的CP（A）曲線。

　　尖速比可以表示為：一風力機風輪角速度（rad/s）一葉片半徑（m）；主導風速（m/s）。

　　一葉尖線速度根據(jù)風力機從風中捕獲的機械功率：在風速給定的情況下，葉輪獲得的功率將取決于功率系數(shù)。如果在任何風速下，風力機都能在Chi點運行，便可增加其輸出功率。根據(jù)，在任何風速下，只要使得風輪的尖速比纟=>，就可維持風力機在Ck，下運行。因此，風速變化時，只要調(diào)節(jié)風輪轉(zhuǎn)速，使葉尖速度與風速之比保持不變，就可獲得最佳的功率系數(shù)。這就是變速風力發(fā)電機組進行轉(zhuǎn)速控制的基本目標。

　　為了實現(xiàn)風力機運行時CpCp，風力發(fā)電機組受到給定的功率-轉(zhuǎn)速曲線控制。，的給定值隨轉(zhuǎn)速變化，由轉(zhuǎn)速反饋算出。以計算值為依據(jù)，連續(xù)控制發(fā)電機輸出功率，使其跟蹤Popt曲線變化。用目標功率與發(fā)電機實測功率之偏差驅(qū)動系統(tǒng)達到平衡。

　　最佳功率和風輪功率功率-轉(zhuǎn)速特性曲線的形狀由和A，決定。

　　給出了轉(zhuǎn)速變化時不同風速下風力發(fā)電機組功率與目標功率的關系。假定風速是％，點A2是轉(zhuǎn)速為600r/min時發(fā)電機的工作點，點是風力機的工作點，它們都不是最佳點。由于風力機械功率（點大于電功率（點Az），過剩功率使轉(zhuǎn)速增大（產(chǎn)生加速功率），節(jié)后者等于A，和A2兩點功率之差。隨著轉(zhuǎn)速增大，目標功率遵循P曲線持續(xù)增大。同樣，風力機的工作點也沿％曲線變化。工作點和A2最終將在點A3交匯，風力機和發(fā)電機在點A3功率達成平衡。

　　發(fā)電機的工作點是氏，風力機的工作點是B，。由于發(fā)電機負荷大于風力機產(chǎn)生的機械功率，故風輪轉(zhuǎn)速減小。隨著風輪轉(zhuǎn)速的減小，發(fā)電機功率不斷修正，沿曲線變化。風力機械輸出功率亦沿％曲線變化。隨著風輪轉(zhuǎn)速降低，風輪功率與發(fā)電機功率之差減小，最終兩者將在點B3交匯。

　　實現(xiàn)最大風能捕獲運行的關鍵是風電機組的轉(zhuǎn)速控制。本研究中，風電機組轉(zhuǎn)速的控制是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出有功功率，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁阻轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)的。

　　3交流勵磁變速恒頻發(fā)電原理交流勵磁變速恒頻雙饋發(fā)電系統(tǒng)原理性示意圖如所示，發(fā)電機一般為三相繞線式異步發(fā)電機，定子繞組并網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組外接三相轉(zhuǎn)差頻率的變頻器，實現(xiàn)交流勵磁。當風速變化引起發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化時，應控制轉(zhuǎn)子電流的頻率/2使定子輸出頻率A恒定。根據(jù)關系，當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速/1低于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機處于亞同步速運行，此時變頻器向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供正相序勵磁，調(diào)節(jié)后輸出電壓分量'，再加上電壓補償分量就可獲得轉(zhuǎn)子電壓指令U二，經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換就得到發(fā)電機轉(zhuǎn)子三相電壓控制量戶=1.251/1113，無功功率值Cr=350W風力機與發(fā)電機軸間通過一增速比N=7.864的變速齒輪箱連接。故發(fā)電機角速度叫和風力機角速度％關系為叫=0=7.8460，理論計算得到在風速下發(fā)電機最佳角速度為假定在第10秒時刻風速由4m/s升至6. 8m/s，按上式得兩風速下發(fā)電機的理論最佳轉(zhuǎn)速分別表示隨著風速的變化發(fā)電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過程，第一次調(diào)節(jié)是從并網(wǎng)時刻的167.5rad/s開始，5s后轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定，第二次調(diào)節(jié)開始于風速發(fā)生階躍的10s時刻，20s時后轉(zhuǎn)速趨于平穩(wěn)，調(diào)節(jié)后兩個最佳角速度分別穩(wěn)定在122. 92rad/S變速恒頻風力發(fā)電機的仿真s，與理論計算值非常吻合。和為發(fā)電機基于以上定子磁鏈定向矢量控制的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)模型，采用Matlab/Simulink軟件實現(xiàn)了風速變化下最大風能追蹤控制的運行仿真。

　　仿真中所用的參數(shù)參見附錄。假定空氣密度定、轉(zhuǎn)子電流波形。從中可看出，隨著發(fā)電機輸出功率的增大，定子電流的幅值也相應增大，但頻率始終恒定為60Hz，實現(xiàn)了恒頻。為轉(zhuǎn)子電流的變化過程，隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)子電流頻率不斷變化，轉(zhuǎn)速過同步點時其頻率為零。和0描述了發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子側(cè)的功率情況。從可看出，隨著風速的變化，發(fā)電機經(jīng)過調(diào)節(jié)總能輸出最大功率；同時還可以看出，在發(fā)電機輸出有功功率P變化的時候，無功功率Q保持不變，確實實現(xiàn)了P和Q的解耦控制。表示了在追蹤最大風能過程中發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)功率愾的流動方向，發(fā)電機亞同步速運行時，P2>，表示功率從電網(wǎng)流向發(fā)電機；超同步運行時，朽<，表示功率從發(fā)電機流向電網(wǎng)；因此，作為交流勵磁電源的變頻器不僅要有優(yōu)良的輸入、輸出特性，而且還必須要有功率雙向流動的能力。同時還可以看出，變頻器容量決定于同步速上下的運行速度范圍，如果在同步速上下1/3額定速度范圍內(nèi)運行，理論上只需1/3額定功率的變頻器，這是采用交流勵磁的雙饋發(fā)電方式的巨大優(yōu)越性。

　　本文在分析了風力機特性和交流勵磁雙饋發(fā)電機數(shù)學模型的基礎上，研究了追蹤最大風能的控制策略：通過對發(fā)電機實施定子磁場定向失量變換控制，達到發(fā)電機有功功率、無功功率的解耦，進而通過控制有功功率來控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而控制風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)追蹤最佳功率曲線的運行。采用Matlab/Simulink軟件進行的建模與仿真驗證了本文所提出的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的成功，滿足變速恒頻風力發(fā)電的要求，為今后實際系統(tǒng)的研制提供理論基礎和設計依據(jù)。

　　功率三相繞線式異步發(fā)電機，四極，額定功率2.1kW，額定電壓220V/額定頻率60Hz；定子電阻r，和漏感U分別為0. 435n，2mH；轉(zhuǎn)子電阻r2和漏感U分別為。

　　=2.3m，額定功率2.21評，最佳風能系數(shù)（1和最佳葉尖速比；1.1），分別為0.43和9.