・技术讲座・ 王宏华・风力发电控制技术的发展现状 风力发电技术系列讲座（３） 风力发电控制技术的发展现状 王宏华 （河海大学自动化工程系，江苏南京２１００９８） 摘要：阐述了风力发电控制系统的基本结构和工作原理；综述了风力发电控制技术的发展现 状及发展趋势。 关键词：风力发电；系统；控制 中图分类号：ＴＫ８１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－５２７６（２０１０）０３－０１９２－０４ Ｔｈｅ Ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ Ｌｅｃｔｕｒｅｓ Ｏｎ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｐａｒｔ ３） Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｈｕａ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ；ｓｙｓｔｅｍ：ｃｏｎｔｒｏｌ 手动偏航、９０。侧风、自动解缆等功能 。大型风电机组均 ０ 引言 采用主动对风控制，当风轮主轴方向与风向标指向偏离超 出允许偏差范围且持续一定时间后，偏航系统控制伺服 众所周知，风能是一种能量密度低、稳定性差的能源， （偏航）电动机运转使风轮主轴方向跟踪主风向。液压系 保证运行的可靠性和安全性、提高风力发电的品质和效 统执行风力机的变桨距和制动操作，实现风电机组的功率 率、延长风电机组的寿命是风力发电控制系统的基本目 控制、转速控制及开停机控制。制动系统是风电机组安全 标。图１为基于ＤＣＳ技术的大型风电机组控制系统总体 保障的重要环节，在定桨距机组中，通过叶尖挠流器执行 结构框图 。 。 气动刹车；而在变桨距机组中，通过控制变桨距机构也可 控制机械刹车机构。 另外，风电机组的控制设备还包含安全保护系统，是 传感器和工控机的集成，包括超速保护、电网失电保护、电 气保护（过电压及短路保护、防雷击保护等）、机组振动保 护、发电机过热保护等，主要执行停机和紧急停机程序，具 有最高优先权，可进人至少两套刹车系统。 以上概述了风电机组控制系统的一般功能，为了更好 地实现提高风力发电品质、效率的目标，应对风电机组的 稳态运行工作点进行精确控制，其控制技术发展的３个主 要阶段为：从起源于丹麦的定桨距恒速恒频控制，到２０世 图１风电机组控制系统总体结构 纪９０年代发展起来的变桨距恒速恒频控制，再到目前已 广泛应用的变桨距变速恒频控制。本文总结这３个发展 主控制器监测电力参数、风力参数、机组状态参数， 阶段的运行控制技术，综述了风力发电控制技术的发展 启／停其他功能模块，实时监控风电系统工作状态。人机 趋势。 界面主要实现运行操作、状态显示、故障记录、趋势曲线、 绘制报表、用户管理等功能。软切人控制的主要功能是限 １ 定桨距失速控制 制发电机并网和大小发电机切换时的冲击电流、平稳风力 发电机并网过渡过程。偏航控制系统主要包括自动偏航、 定桨距风力机的桨叶固定在轮毂上，桨叶的迎风角度 作者简介：王宏华（１９６３一），男，江苏泰州人，博士，现为河海大学教授、博士生导师，研究方向为新型交直流电力传动等，出版有《开 关型磁阻电动机调整控制技术》、《现代控制理论》等专著。 ・１９２・ ｈｔｔｐ：／／ＺＺＨＤ．ｃｈｌｎａｊｏｕｒｎａＩ．ｎｅｔ．ｃｎ Ｅ—ｍａｉｌ：ＺＺＨＤ＠ｃｈａｉｎａｊｏｕｒｎａ１．ｎｅｔ．ｃｎ《机械制造与自动化》 ・技术讲座・ 王宏华・风力发电控制技术的发展现状 不随风速的变化而改变，即叶片桨距角不可调。当风速高 １ｓ（可调）时发电机将切入电网，并切换为转速控制器Ｂ 和功率控制器工作。 速度给定 于额定风速（一般为１２～１６ ｍ／ｓ）时，其依赖于叶片独特 的翼形结构所具备的自动失速性能而将功率自动在 额定值附近。２Ｏ世纪８Ｏ年代，叶尖挠流器在定桨距风电 机组得到成功应用，使桨叶自身具备了制动能力，有效解 决了突甩负载情况下的安全停机问题。为了使机组在低 转速控制系统Ｂ的输入为速度偏差和风速，在达到 额定值前，速度给定随功率给定按比例增加。若风速和功 率输出一直低于额定，将根据风速输出最佳的桨距给定， 以优化叶尖速比；若风速超出额定，通过改变桨距角使发 电机转速跟踪给定，将输出功率稳定在额定。图２中，风 速信号是经低通滤波器后参与桨距控制的，即桨距控制对 瞬变风速并不响应。在瞬变风速下维持输出功率稳定是 通过功率控制器进行的，其通过绕线型异步发电机转子电 流控制环实现［参见本系列讲座（２）中的图１“绕线转子 电流受控的异步风力发电机”结构］，即根据功率控制器 输出的电流给定值，通过电力电子装置调整转子回路等效 电阻（其动作时间在毫秒级以下），从而迅速调节发电机 转差率，即迅速改变风轮转速，吸收瞬变风速引起的功率 风速段运行时具有较高效率，定桨距风电机组采用双速发 电机、双绕组双速感应发电机等以实现不连续变速功 能 Ｊ。对联网运行的定桨距风电机组，晶闸管恒流软切 入装置是其控制系统的重要部分。 定桨距失速控制无功率反馈系统和变桨距机构，结构 简单，安全系数较高，不需要复杂的控制程序，但其性能受 叶片失速性能，启动风速较高，在风速超过额定值时 发电功率下降。为了提高功率调节性能，近年来又研制出 主动失速型风电机组 。 波动，实现额定风速以上且风速频繁变化时的发电机输出 ２ 变桨距控制 变桨距风轮的桨叶与轮毂不像定桨距那样采用刚性 额定功率，减少变距机构的动作频率和幅度。 ３ 变速控制 目前，变桨距变速恒频风电机组已成为大型并网风电 机组的主流机型，其基本控制策略为：低于额定风速时，控 制发电机转速以跟踪风速变化，使风轮叶尖速比保持在最 佳值，实现最大风能跟踪（ＭＰＰＴ）控制；高于额定风速时， 联接，其叶片的桨距角可随风速变化进行调节，以调节风 电机组的功率。在额定功率以下时，为最大限度获得风 能，控制器将桨距角调至０。附近并固定，发电机的功率根 据叶片的气动性能随风速变化而变化；当风速过高，高于 额定功率时，增大桨距角使风轮迎风面积减小，从而将发 电机功率保持在额定值。变桨距调节具有额定点风能利 用系数较高、启／制动性能好、输出功率平稳等优点，故成 为大型风电机组的最佳选择。但随着并网机组向大型化 方向发展，桨叶转动惯量巨大（大型风机的单个叶片重达 调节桨距以风力机吸收的功率不超过极限值，并在风 速大幅度变化时使发电机保持输出功率恒定。 ３．１ 额定风速以下实现ＭＰＰＴ的转速控制 图３为桨距角不变，不同风速 下风力机的输出功 率特性。图３中， 是对应 使风力机具有最佳叶尖速 比Ａ 的风轮角速度，将 ， 对应的各风速下最大输出 数吨，有的风轮直径已达一百多米），仅采用桨距角控制 难以适应风速的快速变化。为了有效控制快速变化的风 速引起的功率波动，近年来出现了采用转子电流控制 （ＲＣＣ）技术以调整绕线型异步发电机转差率的新型变桨 距控制系统…，如图２所示。 功率点相连即为最大功率曲线Ｐ。。 。 ＰＢ 篓尸ｃ 蔓尸Ｄ Ｐ ＰＥ ０ 角速度 图２带转差率调节的变桨距控制系统 图３风力机功率特性 图２中，转速控制器的输出为桨距给定，桨距控制器 为非线性比例控制器，其输出控制液压伺服系统，使桨距 角变化。其中，转速控制器Ａ在发电机并网前工作，即在 机组进入待机状态或从待机状态重新启动时投人工作，通 过调节桨距角，使发电机以一定的加速度升速，当发电机 在同步转速（５０ Ｈｚ时１ ５００ ｒ／ｍｉｎ）１０ ｒ／ｒａｉｎ（可调）内持续 Ｍａｃｈｉｎｅ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ８ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｊｕｎ ２０１０，３９（３）：１９２—１９５ 在Ｐ 。曲线上运行的风力机将输出最大功率Ｐ ，即 Ｐ ＝Ｋｗ 式中：Ｋ＝ （ Ａ ０ｐ１） 能利用系数。 ／２；ｐ为空气密度；ｓ为风轮扫风 面积； 为风轮半径；Ａｏｐ，为最佳叶尖速比；Ｃｐ 为最大风 ・１９３・ ・技术讲座・ 王宏华・风力发电控制技术的发展现状 能太小，系统调节时间较长 。 目前常用的最大风能跟踪控制方法有如下３种基本 方法。 ３．１．１风速跟踪控制 ３．２额定风速以上的功率控制 ｌｊ 在风速超过额定风速时，变速风电机组的控制系统通 过调节风力机风能利用系数，实现保持发电机输出功率恒 定、使机组传动系统具有良好柔性的基本目标。 目前，有两种改变风力机风能利用系数的方法：１）控 制发电机电磁制动转距，以凋节发电机转速，进而调整叶 尖速比；２）调节桨距角以改变风轮迎风面积，从而调节空 实时测量风速，然后依据风电机组的功率特性，推算 出使风轮叶尖速比保持在最佳值的发电机所需最佳转速 ｎ ，控制变速发电机的转速使其跟踪最佳转速ｎ ，从而 实现ＭＰＰＴ。 虽然这种方法的原理简单明了，但必须已知风力机特 性，且要求测量的风速与作用在桨叶上的风速有良好的关 联性。然而，由于风速在时间、空间上的随机变化，很难精 气动力转矩。应该指出，理想的控制方案是采用转速与桨 确测得与到达风轮上的风速一致的结果，这了该方法 距双重调节。 的工程应用。为了克服风速跟踪控制方法的缺点，出现了 多种基于风速预测方法的改进控制系统…。 ４ 风电机组控制技术的发展趋势 ３．１．２功率反馈控制 实时测量发电机转速（则可得到风轮角速度 ），依 据风轮角速度 和风力机最大功率曲线Ｐ１ 实时计算发 ４．１ 风力发电系统智能控制 电机的输出有功功率指令Ｐ ，控制发电机的输出有功功 风电机组是一类复杂的非线性系统，其精确的数学模 率使其跟踪指令Ｐ ，即可实现ＭＰＰＴ。以上实现ＭＰＰＴ的 型难以建立，采用基于数学模型的传统控制难以使系统在 过程可用图２说明 …：设原先在风速 下机组稳定运行 全部运行状态下获得满意的动、静态性能。随着不依赖于 在 曲线的 点，此时风力机输出功率和发电机输入功 数学模型的智能控制技术的发展，模糊控制和人工神经网 率均为Ｐ ，两者平衡，风轮以最佳角速度 稳定运行；若 络在风电机组控制领域应用方兴未艾，并成为研究热点 风速由 突升至 ，风力机的工作点将由Ｅ跳动至Ｆ，对 之一 。 应的输出功率跃变至Ｐ ，而发电机却因惯性和控制滞后 文献［１３］在桨距控制器设计中引入二维模糊控制算 仍暂时工作在 点，因Ｐ ＞ＰＥ，发电机将升速；在升速过 法，仿真结果验证了在风速高于额定风速且频繁变化时，基 程中，风轮沿其固有的功率特性ＦＤ曲线增速，而采用功 于模糊控制算法的变桨距控制器能够随风速变化不断调节 率反馈控制的发电机则沿最大功率曲线增速，两者到达 桨距角，使风力发电机输出功率稳定在额定值附近。文献 点时，重新建立起功率平衡，风轮以与风速 相对应最佳 ［１４］对基于模糊控制的双馈风力发电空载并网技术进行 角速度 稳定运行。 了研究，其在有刷双馈异步发电机转子可逆变流装置的控 该方法不需要测量风速，但需要已知风力机最大功率 制中，采用了参数自整定模糊ＰＩ控制器，即利用模糊控制 曲线和发电机损耗特性，以获得有功功率指令Ｐ 。研究 规则对ＰＩ算法的比例参数和积分参数在线调整，仿真表明 表明 ：即使在Ｐ 的计算不很准确时，也可使发电系统 该控制算法可有效提高系统的鲁棒性。文献［１５］则在基 运行在“次最佳状态”，获得较理想的最大风能跟踪控制 于爬山搜索算法实现小型风电系统ＭＰＰＴ的控制系统中引 效果，故该方法颇具实用价值。 入模糊／ＰＩＤ双模控制，大范围搜索用模糊控制，小范围搜 ３．１．３最大功率搜索控制 索则用ＰＩＤ。仿真表明：模糊／ＰＩＤ双模控制能使系统平稳 其依据是在某一固定风速下，风力机的功率特性Ｐ 跟踪最大功率点，发电机稳态输出功率波动较小。 （ ）为凸函数。在有的文献中，该方法也称为爬山搜索算 人工神经网络具有映射任意非线性输入一输出关系 法 、功率扰动控制 ，其通过施加人为的功率扰动进行 的能力。可基于ＢＰ网建立桨距角全范围变化时的风能 离散迭代控制，使风轮机的工作点“一步一步”地沿其功率 利用系数模型；也可建立以风速、风轮角速度、功率为输 曲线移动到最大值附近，且保持一定的波动。以人为施加 入，桨距角指令值为输出的ＢＰ网，构成基于ＢＰ网的桨距 转速扰动引起功率变化从而自动搜索发电机最佳转速 控制器 Ｊ，实现桨距控制的目标。文献［１６］选择风力机 实现ＭＰＰＴ为例说明如下 ：计算当前风力机功率Ｐ（ｋ）， 转速和风速作为直接样本数据，计算得到的风力机输出功 并和上一控制周期的风力机功率Ｐ（ 一】）比较，若△尸（ ） 功率为间接样本数据，经离线训练，建立了以风力机转速 ＝Ｐ（ｋ）一Ｐ（ｋ一１）＞０，则保持发电机转速指令的扰动值 和功率为输入、风速为输出的ＢＰ网风速预测模型，并将 Ａｎ的符号不变，继续进行下一周期的转速扰动；否则，若 该风速预测模型应用于采用风速跟踪控制方法的直驱式 ａｐ（ｋ）＝Ｐ（ｋ）一Ｐ（ 一１）＜０，则应将转速指令的扰动值 风力发电系统ＭＰＰＴ控制，仿真结果表明基于ＢＰ网的风 Ａｎ的符号反号，继续进行下一周期的转速扰动。因当前的 速预测模型正确、可行。文献［１７ｊ在变速恒频双馈异步 Ａｎ与上周期的转速指令相加即为新的转速指令，故若风机 发电机定子有功功率控制中引入单神经元控制算法，实现 功率渐增，则将保持转速指令值渐增（或渐减）；若风机功 ＭＰＰＴ，仿真结果验证了控制算法的有效性。 率减小，则应改变转速指令变化的方向。 目前，风电机组智能控制研究多数停留在仿真阶段， 该方法的优点是无需测风装置，对风力机功率特性的 尚缺乏实际工程应用。另一方面，模糊控制和人工神经网 了解要求不高，系统有自动跟随与自适应能力；缺点是即 络具有互补性，两者相结合的神经网络模糊控制在风电机 使风速稳定，发电机稳态功率输出仍有波动，控制周期不 组控制领域中的应用研究尚少；基于数据驱动的机器学习 ・１９４・ ｈｔｔｐ：／／ＺＺＨＤ．ｃｈｉｎａｊｏｕｒｎａ１．ｎｅｔ．ｅｎ Ｅ－ｍａｉｌ：ＺＺＨＤ＠ｃｈａｉｎａｊｏｕｍａ１．ｎｅｔ．ｅｎ《机械制造与自动化》 ・技术讲座・ 王宏华・风力发电控制技术的发展现状 ［３］宋海辉．风力发电技术及工程［Ｍ］．北京：中国水利水电出版 社，２００９． 方法与风能转换系统控制相结合的研究也有待深入。 ４．２风力发电系统低电压穿越技术 Ｊ［１８－１９１ 随着风电机组装机容量不断增大，风力发电系统对现 存电网稳定性的影响成为倍受关注的课题，其中热点之一 是研究电网电压瞬间跌落情况下风电机组对电力系统的 影响。目前，世界各国纷纷制定了针对大型风电机组并网 ［４］牛山泉编著．风能技术［Ｍ］．刘薇，李岩译．北京：科学出版 社，２００９． ［５］王志新，张华强．风力发电及其控制技术新进展［Ｊ］．低压电 器，２００９（１９）：１－７． ［６］徐大平，张新房，柳亦兵．风力发电控制问题综述［Ｊ］．中国电 力，２００５（４）：７０－７４． 运行的标准，要求在电网发生故障如电压瞬间跌落时，风 电机组仍能保持并网，且能向电网提供一定的无功功率支 持，以提高电力系统的稳定性，这就要求风电机组具有一 定的低电压穿越（ＬＶＲＴ）运行能力。 双馈异步发电机（ＤＦＩＧ）风电机组在电网电压跌落时 ［７］顾鑫，惠晶．风力发电机组控制系统的研究分析［Ｊ］．华东电 力，２００７（２）：６４＿６８． ［８］夏毅琴．风力发电机组及其控制系统［Ｊ］．电气技术，２００９ （８）：６２ ． 将导致ＤＦＩＧ转子侧过电压、过电流。转子电路中的 Ｃｒｏｗｂａｒ（保护）电路是使ＤＦＩＧ风电机组具备ＬＶＲＴ能力 的关键，其在电网电压故障时可有效对变流器进行保护， ［９］闫永勤，乔明，林飞，等．变速恒频风力发电系统最大风能跟 踪控制的研究［Ｊ］．电气技术，２００６（１１）：１４・ｌ７． ［１Ｏ］刘其辉，贺益康，赵仁德．变速恒频风力发电系统最大风能 追踪控制［ｊ］．电力系统自动化，２００３（２０）：６２－６７． ［１１］凌禹，张同庄，邱雪峰．直驱式风力发电系统最大风能追踪 且可向电网发出无功功率，使电网电压迅速恢复正常。但 转子Ｃｒｏｗｂａｒ电路无法兼顾转子侧变流器及齿轮传动等 机械部件实现全面保护，且不同故障类型及不同故障程度 下的电路参数难以统一。目前，ＤＦＩＧ风电机组的ＬＶＲＴ 策略研究［Ｊ］．电力电子技术，２００７（７）：１－２． ［１２］朱学忠，张琦雪，刘迪吉．开关磁阻风力发电机系统的控制 方案研究［Ｊ］．数据采集与处理，２００１（１）：８１－８５． ［１３］张玉华，李振凯．基于模糊控制的风力发电系统变桨距控制 器的设计［Ｊ］．现代电力，２００７（６）：５８－６１． ［１４］康忠健，陈天立，王升花，等．基于模糊控制的双馈风力发电 空载并网技术研究［Ｊ］．电气传动，２０１０（１）：４７－５０． ［１５］夏晓敏，王坤琳，吴必军．小型风电系统ＭＰＰＴ模糊／ＰＩＤ控 制仿真研究［Ｊ］．能源工程，２０１０（１）：２６・３１． ［１６］任艳锋，毛开富，包广清．基于神经网络的直驱式风力发电 最大风能控制研究［Ｊ］．电气自动化，２００９（６）：４２－４５． 运行研究仍是难点，主要集中于保护电路拓扑结构和变流 器控制算法改进研究。 对采用多级永磁同步发电机的直驱型变速恒频风力 发电系统而言，因为其与电网通过背靠背功率变换器隔 离，且无功功率控制灵活，故在ＬＶＲＴ运行方面具有优势。 在直流侧增加保护电路、在直流侧和电网间增加辅助变流 器等保护措施可增强直驱型风电机组ＬＶＲＴ运行能力。 大容量并网型风电机组ＬＶＲＴ运行控制策略是有待 深入研究的热点课题。但电网故障具有不可控性，故为了 测试风电机组ＬＶＲＴ运行性能，模拟电网电压跌落特性的 “电压跌落发生器（ＶＳＧ）”研发也成为一个热点。 参考文献 ［１］叶杭冶．风力发电机组的控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，２版，２００８． ［１７］杨勇，阮毅，任志斌，等．基于单神经元控制器的２．３ｋＷ变速 恒频风力发电控制系统研究［Ｊ］．微电机，２００９（９）：６０－６４． ［１８］李建林，许洪华．风力发电系统低电压运行技术［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，２００９． ［１９］李建林，许洪华．风力发电中的电力电子变流技术［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，２００８． ［２］姚兴佳，宋俊．风力发电机组原理与应用［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２００９． 收稿日期：２０１０一Ｏ５—２５ 启用新的电子邮箱 《机械制造与自动化》编辑部已启用了新的电子邮箱： Ｅ—ｍａｉｌ：ｎＪｍｅｓ １０１＠ｉｓｍａｉｌ．ｃｏｒｎ．ｃｎ 也可使用Ｅ．ｍａｉｌ：ｅｄｉｔｏｒ＠ｎｊｍｅｓ．ｏｒｇ发送电子稿件至我－Ｔ４编辑部收。 原Ｅ—ｍａｉｌ：ｎｊｍｅｓｌ０１＠ｐｕｂｌｉｃ１．ｐｔｔ．ｊｓ．ｃｎ停止使用。 特此通知。 《机械制造与自动化》编辑部 Ｍａｃｈｉｎｅ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ８ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ｔｕｎ ２０１０，３９（３）：１９２～１９５ ．・１９５・
