1.4　风电机组功率控制策略

为了从风中捕获到更多的风能，根据风轮的功率特性，应采取如下控制策略。

（1）在风轮切入风速（vcut-in）到风轮的额定转速对应的风速vwN之间。根据风轮的功率特性可知，风速太低时，捕获的风能也少，系统的效率也低。因此在风速太低的情况下不宜启动风电机组，只有当风速到达一定值，即切入风速后，才启动风电机组，如图1-7所示的OA区间。但为了提高整个风力发电系统的利用率，风电机组的切入速度也不宜太高，对直驱永磁风力发电机而言，减小发电机的齿槽转矩可适当降低风电机组的切入速度。风速超过风轮的切入风速时启动风电机组，风轮转速由零增大到发电机的切入转速，CP值不断上升，风电机组开始运行。为了从随机变化的风中获得最大功率，将桨距角设为最佳值，CP恒定为最大值，如图中的AB区间，这时风电机组运行在最大功率点跟踪状态。

（2）风速超过风轮额定转速对应的风速vwN。随着风速的增加，风轮转速也随之增加，为了保证风电机组的安全稳定运行，必须对风轮规定一个允许的最大转速，即风轮的额定转速对应的风速vwN，对应图1-7中B点的风速，这个风速一般应小于与发电机额定功率对应的风速，即发电机额定转速对应的风速，对应于图1-7中的C点。当到达额定风速这个点后，风速再增加时，风轮的转速不再增加，即进入转速恒定区间，如图中的BC段。为了运行在恒定转速区，则必须在发电机输出额定功率之前改变控制策略；也就是随着风速增大，调节桨距角使CP值减小，因为风速还在增加，所以功率仍然增大，直到发电机的输出功率到达发电机额定功率。一般根据测量的发电机输出功率来决定速度设定值。考虑到桨距控制系统的反应较慢，从风轮额定转速增加到发电机额定转速的过程中，发电机转速大约会增加10%。

（3）当风速继续增大，发电机转速已经到达其额定值，同时发电机的输出功率也到达了额定功率，继续调节风轮桨距角，降低风轮的风能利用系数，保持发电机输出的功率为额定值不变，此时风轮工作在功率恒定区，如图1-7中的CD段所示。当风速增大到切出风速（vcut-off，系统运行时允许的最大风速）时，为了避免机组零部件的损坏，应该将风轮停止运行。

1.4.1　额定风速下发电机的控制

风吹动风轮的叶片使风轮旋转，风轮再带动发电机旋转。当发电机的电磁转矩和风轮的气动转矩达到平衡时，发电机处于平衡运行状态。在直驱永磁风力发电系统中，发电机与风轮是直接相连的，因此风电机组的动态特性可以用比较简单的数学模型来反映，即

式中　Jw——风轮的转动惯量，kg·m2；

Tw——风轮的气动转矩，kN·m；

Tem——发电机的电磁转矩，kN·m。

风轮气动转矩Tw的大小与风速的关系为

由式（1-18）可知，当风速发生变化时，风轮的气动转矩Tw和发电机的转速随风速v的变化而变化，发电机的电磁转矩与风轮的输出转矩达到动态平衡状态。

为了从风中获得最多的风能，必须对风轮的转速进行控制，得到最佳叶尖速比从而获得最佳功率系数。由于风速的准确测量比较困难，并且增加了系统的复杂性和成本，因此一般采用不需要测量风速的控制方法，可以将式（1-13）中的功率与风速的关系转换成功率与风轮转速的关系，即

当风力机运行在一个最佳叶尖速比λopt时，则有一个最佳功率系数CPmax与之对应，此时输出的功率最大，则风轮获得的最大功率与风速之间的关系为

在这种最佳条件下，发电机最佳速度ωg与风速成正比，即

此时，发电机最大机械功率Pmax和最佳转矩值Tmax是风速v的函数，即

式中　Kω、Kp、Kt——由风轮特性决定的常数。

将式（1-21）代入式（1-22）和式（1-23），可推导出以下关系

根据式（1-25），发电机转矩Tg为

最大功率点跟踪算法工作原理为：当风速为vw3时，发电机工作在最大功率点A′[图1-8（a）]和最佳点A[图1-8（b）]，此时发电机电磁转矩Tem和风轮的输出转矩Tm处于平衡状态；当风速增加到vw2时，Tm过渡到B点，Tem仍维持在A点。由于发电机电磁转矩Tem小于风轮的输出转矩Tm，发电机转速将增加，Tem沿着最佳曲线增加，风轮转速下降，Tm则降低。最后，它们将在vw2的最佳转矩曲线的C点上达到稳定状态，对应最大功率点C′。

风轮的输出转矩Tm沿着Tm=f（ωg）移动，而发电机电磁转矩Tem随发电机的速度根据式（1-26）进行控制，因此发电机电磁转矩Tem沿着由发电机速度ωg决定的最佳转矩曲线移动，当发电机电磁转矩Tem与风轮的输出转矩Tm相等时，系统运行在静态平衡状态。由式（1-18）知，当风速发生变化时，风轮的输出转矩Tm与发电机电磁转矩Tem不停地跟随风速变化最后达到一个动态平衡。若风轮的输出转矩Tm和发电机电磁转矩Tem在任何给定的风速都设定为最佳值Topt，风轮则运行在相应风速下的最大功率点。

1.4.2　额定风速以上发电机的控制

根据式（1-13），从风中所获得的能量与风速的3次方成正比，但从风中获得的能量不能无限制的增加，在高风速状态下，能量的获取和风力机的转速都必须考虑到风电机组电气特性和物理特性的限制。为了防止电气装置的损坏，在高风速下，应限制发电机的功率输出使之保持为发电机的额定输出功率。为了预防机械部件损坏，超过额定风速时就要采取措施，限制风轮和发电机的转速使其低于某个极限值，在超过切出风速时应该将风轮停止运行。

从风中所获得的能量也与风轮的功率系数成正比，因此要限制额定风速以上风轮输出的功率也可以通过控制功率系数来实现。由前述可知：风轮的功率P既是叶尖速比λ的函数，也是桨叶桨距角β的函数，因此有两种方法来控制风轮的功率系数：一是通过改变发电机的转速来改变风轮的叶尖速比；二是改变桨叶桨距角以改变空气动力转矩。

实际上，变速风电机组在高于额定风速运行时，也可以将转速调节控制和变桨距调节控制结合起来使用，这样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，但由于可以显著提高传动系统的柔性及输出的稳定性，因此是变速风电机组理想的控制方案。

1.4.3　最大功率点跟踪控制策略

从前面的分析可知，要提高风能利用系数，必须在风速变化时及时调整风轮的速度，保持叶尖速比为最佳值，才能使风电机组运行在变速运行状态时捕获更多的能量。有文献表明当变速恒频风电机组采用最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）控制策略时，所捕获的功率比恒速恒频风电机组要多9%～11%。目前运用最广泛的MPPT控制策略主要是爬山搜索法。

爬山搜索法的基本思想是：首先人为地给风力发电系统施加一个转速扰动，然后根据测量到的功率的变化情况，通过使用特定的推理机制来自动搜寻发电机的最佳转速点，使发出的功率接近最大功率。这种控制方法与风轮的空气动力学特性无关，可以用软件来实现。