风力发电系统及其控制技术综述(2)

(3)第三阶段是恒转速运行阶段（b-c段），从理论上说，在额定风速以下，风力机可在任何转速下运行，以便最大限度地获取能量，但由于受最大转速的限制，此段机组应为恒速运行。这个阶段，随着风速的增大，机组的转速也在增大，最终达到机组允许的最大转速，维持这一转速不变，随着风速的增大，cp值减小，而机组的功率仍在增大。

(4)第四阶段是恒功率运行阶段（c-d段），随着功率的增大，发电机和变换器最终达到功率极限。随着风速的增大，发电机的转速必须降低，cp迅速降低，从而维持该功率不变。这个阶段为风力发电机组运行在额定风速以上的区域，高风速时风力发电机组的机械和电气极限要求输出功率维持在限定值以下，此阶段要求变速风力发电机运行时保持平稳的功率输出。

4 最大输出功率调节方式

根据风力发电供电方式的不同将功率输出定性地分为两类：调节机械功率，在风力机控制回路加调节装置使风力机输出机械功率稳定；调节电功率，在发电机的控制部分加入反馈，使用快速响应的控制器和优化控制策略来控制发电机输出功率。

4.1 调节机械功率的方法

功率调节是风力发电机组的关键技术之一。随着风力发电机组由定桨距恒速运行发展到变桨距变速运行后，风力发电机组控制系统除了根据风速和风向变化对机组进行并网和脱网以及调向进行控制外，还可以通过变距系统对机组进行转速和功率的控制，以保证机组运行安全和可靠，同时提高机组的运行效率，增加年发电量，改善输出电能质量[6]。

功率调节方式主要有三种控制方法: 定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节。

4.1.1 变桨距功率调节与定桨距失速功率调节[7-9]

变桨距功率调节的原理是：当风力变化使风力机的风力机转速偏离了规定值（额定转速）时，在规定的时间内，使借助于液压控制的叶片桨距调节控制器动作，改变风力机叶片的攻角，调整风力机的输出功率，从而达到维持风力机转速恒定。通常以风速及风力机转速作为叶片桨距调节器动作的信号。变桨距功率调节的优点是，它能自动调节叶片桨距角度β，适应不同风况下功率的调节，特别是使得在接近额定风速附近得功率曲线充实，使风力发电机的年发电量增加；缺点是变桨距执行机构及液压驱动系统较复杂，增加了造价，运行可靠性也受到一些影响。

定桨距失速功率调节的原理是：风力机的桨叶角β为固定不变的，利用桨叶本身的气动特性，即在额定风速以内，叶片的升力系数较高，风能利用系数cp也较高，而风速超过额定值时，叶片则进入失速状态，致使升力不再增加，风力机转速将不随风速的增大而上升，从而达到限制风力机功率的目的。

变桨距风力发电机组与定桨距风力发电机组相比，具有在额定功率点以上输出功率平稳的特点如图3所示。

图2 发电机运行区域功率——转速变化曲线

图3 定桨距与变桨距风力发电机组功率曲线比较

变桨距风力发电机组的功率调节不完全依靠叶片的气动性能。当功率在额定功率以下时，控制器将叶片节距角置于零度附近，不作变化，可以认为等同于定桨距风力发电机组，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速的变化而变化。当功率超过额定功率时，变桨距机构开始工作，调整叶片节距角，将发电机的输出功率限定在额定值附近。事实上，如果没有其它措施的话，变桨距风力发电机组的功率调节对高频风速变化仍然是无能为力的。因此，除了对桨叶进行节距控制以外，还可以通过控制发电机输出电流来控制发电机转速，以至控制风力机转速，使得风力机转速在一定范围内能够高快速响应风速的变化，以吸收瞬变的风能，使输出的功率曲线更加平稳。

4.1.2 主动失速调节方式 [10]

在低风速时，采用变桨距调节，可达到更高的气动效率；当风机达到额定功率后，使桨距角向减小的方向转过一个角度，相应的攻角增大，使叶片的失速效应加深，从而限制风能的捕获。这种方式变桨距调节不需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率相对较小。风力发电机组在超过额定风速（一般为14~16m/s）以后，由于机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的限制，必须降低风力机的能量捕获，使功率输出保持在额定值附近，同时减少叶片承受负荷和整个风力机收到的冲击，保证风力机不受损害[11]。

4.2 调节电功率的方法

任何一个风力发电机组都包括作为原动机的风力机和将机械能转变为电能的发电机。其中，作为原动机的风力机，其效率在很大程度上决定了整个风力发电机组的效率，而风力机的效率又在很大程度上取决于其负荷是否处于最佳状态。为了更好地进行能源转换，发电机的驱动转距必须与发电机转速的平方成正比。满足这个条件的方法有间接控制负载功率和直接控制负载功率。