风力发电系统及其控制技术综述(3)

4.2.1 间接控制负载功率

当风速变化时，通过调节发电机的励磁电流来控制发电机电磁力矩，使尖速比保持最佳值，从而调节输出功率，实现风能的最大捕获。此方法需要采用准确的风速信号测量值进行反馈控制，但实现起来有相当的困难。由于风力机旋转时，使周围空气产生很大的扰动。因此风速传感器必须装在远离风力机的地方，这样测得的风速与风力机安装处的风速就有了一定的误差。此外，从风速传感器取得的风速信号还必须能反映风力机跟踪风向的偏差，否则又会造成误差[12]。

4.2.2 直接控制负载功率

通过调节发电机的负载使输入与输出匹配的方法称为直接控制负载功率。在直接控制负载功率方法实现最大功率输出中，风力机与发电机输出特性相互匹配是提高风力发电系统转换效率的必要条件[13] [14]。

5 风力发电机控制方法

5.1 常规控制方法

按照风力发电过程中发电机的运行特点以及控制技术可以将风力发电系统分为变速变频系统、恒速恒频系统和变速恒频系统。在风力发电中，当风力发电机与电网并联运行时，要求风电与电网的频率保持一致，即要求频率保持恒定，故变速变频系统几乎很少在实际系统中采用。

恒速恒频系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机。并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行，当风力机传给发电机的机械功率随风速增加时，发电机的输出功率及反转矩也相应增大，当转子速度高于同步转速过多时，异步发电机工作在非稳定区，可能导致飞车，十分危险。此外，由风能捕获原理可知，风力机的输出功率与风速的三次方成正比关系，当风速在一定范围内变化时，如果允许风力机变速运行，则能更好地利用风能。这是由于风力机的功率因数cp在某一确定的尖速比下达到最大值。恒速恒频系统风力机转速保持恒定，而风速却总在变化，显然cp不能保持在最大值。

变速恒频系统风力机和发电机的转速可以在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。由于风力机的转速可变，通过适当的控制可以使风力机的尖速比处于或者接近于最佳值，从而最大限度地利用风能。与恒速恒频相比，变速恒频具有以下优点[15]：

（1）风力机可以最大限度的捕获风能，提高了风力机的运行效率，年发电量可比恒速恒频系统提高20%以上；

（2）变速恒频放宽了对桨距控制响应速度的要求，降低了调节系统的复杂性，使桨距调节简单化。在低风速时，浆距角固定，高风速时调节浆距角限制最大输出功率；

（3）通过矢量控制调节励磁，可以实现有、无功功率的独立调节；

（4）变几点动力系统间的刚性连接为柔性连接。能吸收阵风能量，把能量存储在风力机转动惯量中，减少阵风冲击对机组带来的疲劳损坏，减少机械应力和转矩脉动，延长机组寿命。当风速下降时，风力机动能释放出来变成电能回馈电网；

（5）减小运行噪声，抑制谐波，减少损耗。