风力发电系统及其控制技术综述

1 引言

作为一种清洁的可再生能源，风能凭借着其分布范围广、能量蕴藏量大以及可利用率高等特点，在能源市场上的重要性日益显现。风力发电作为风能的主要利用形式，最近几年出现了显著的增长。即使遭受到金融危机的重创，相比于2008年，2009年风力发电市场仍然得到了41.5%的快速增长。根据全球风能委员会的报告，2009年全球新增风电装机容量38gw，全球风电装机总容量达到了158.5gw。其中，中国风电装机总量超过了2008年的一倍，达到了世界装机总量的三分之一，亚洲也第一次成为了世界上最大的风能区域市场[1]。但是，由于风能是低密度能源，具有不稳定性和随机性，因此，研究运行可靠、效率高、控制性能良好的风力发电系统以及控制策略是当前面临的主要问题。

2 风力机风能捕获原理

风力机的主要作用是捕捉风能，并将之转化为机械能。根据风力机旋转轴位置的不同，风电系统可以分为垂直轴向系统和水平轴向系统。由于水平轴向系统可以增强风塔的稳定性，减小或消除垂直轴向系统造成的风塔震荡现象，所以应用较多。

风力机从风中吸收的有功功率，即风力机的输出功率为[2]：

（1）

式中：C_p——风力机的功率因数，C_p=f（λ，α）

a——风力机的扫掠面积，a=πr²

Α——浆距 ρ——空气密度

v ——风速 r——风力机半径

λ——尖速比，

ω_m——风力机机械角速度

由式（1）可知，通过控制浆距角和风力机转速都可以改变风力机吸收的风能。由空气动力学可知，C_p最大可以达到59.3%，称为贝兹极限[2]。

图1 风力机运行区域功率——风速变化曲线

3 风力机典型的工作状态

风力机随风速变化输出的机械功率如图1所示，而与此同时，发电机随转速变化输出的电磁功率特性如图2所示。从理论上讲，风力机的输出功率是风速的立方函数，随着风速的增加，它的输出功率是无限的。但实际的变速风力发电机组受到两个基本限制：

功率限制：所有电路及电力电子器件受功率限制；

转速限制：所有旋转部件的机械强度受转速限制。

所以风机的转速和输出功率是有限度的，超过这个限度，风力发电机组的某些部分便不能正常工作。由此，根据不同的风速情况，变速风力发电机组的运行状态可根据不同的风速情况分以下4个不同阶段[3][4]：

(1)第一阶段是起动阶段，发电机转速从静止上升到切入速度。目前，对于大多数风力发电机组来说，风力机上的风速达到起动风速便可实现风力发电机组的起动（发电机被用作电动机来起动风力机并加速到切入速度的情况例外）。在切入速度以下，发电机不工作，机组在风力作用下作机械转动。

(2)第二阶段是最大风能捕获阶段（a-b段），本阶段为风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下区域的主要部分，当风速达到起动风速后，风力机转速由零增大到发电机可以切入的转速，风力发电机组开始作发电运行，通过对发电机的转速进行控制，cp不断上升，直至cp = cpmax，进入cp恒定区，这时机组在最佳状态下运行，这段区域主要是调节发电机电磁转矩（有功功率给定值或给定转速值）使转速随着风速变化，使λ=λopt，实现最大风能捕获，变速风力发电机组在此段的运行应以转化最大的风能为基本目标。要保证最大限量地将捕获的风能转化为电能，变速风电系统目前一般采用最大功率追踪控制（mppt）算法控制。最大功率捕获的办法有三种[5]：尖速比法（tsr）、功率信号反馈法（psf）以及爬山搜索法（hcs）。