1.4　風電機組功率控制策略

為了從風中捕獲到更多的風能，根據風輪的功率特性，應采取如下控制策略。

（1）在風輪切入風速（vcut-in）到風輪的額定轉速對應的風速vwN之間。根據風輪的功率特性可知，風速太低時，捕獲的風能也少，系統的效率也低。因此在風速太低的情況下不宜啟動風電機組，只有當風速到達一定值，即切入風速后，才啟動風電機組，如圖1-7所示的OA區間。但為了提高整個風力發電系統的利用率，風電機組的切入速度也不宜太高，對直驅永磁風力發電機而言，減小發電機的齒槽轉矩可適當降低風電機組的切入速度。風速超過風輪的切入風速時啟動風電機組，風輪轉速由零增大到發電機的切入轉速，CP值不斷上升，風電機組開始運行。為了從隨機變化的風中獲得最大功率，將槳距角設為最佳值，CP恒定為最大值，如圖中的AB區間，這時風電機組運行在最大功率點跟蹤狀態。

（2）風速超過風輪額定轉速對應的風速vwN。隨著風速的增加，風輪轉速也隨之增加，為了保證風電機組的安全穩定運行，必須對風輪規定一個允許的最大轉速，即風輪的額定轉速對應的風速vwN，對應圖1-7中B點的風速，這個風速一般應小于與發電機額定功率對應的風速，即發電機額定轉速對應的風速，對應于圖1-7中的C點。當到達額定風速這個點后，風速再增加時，風輪的轉速不再增加，即進入轉速恒定區間，如圖中的BC段。為了運行在恒定轉速區，則必須在發電機輸出額定功率之前改變控制策略；也就是隨著風速增大，調節槳距角使CP值減小，因為風速還在增加，所以功率仍然增大，直到發電機的輸出功率到達發電機額定功率。一般根據測量的發電機輸出功率來決定速度設定值?？紤]到槳距控制系統的反應較慢，從風輪額定轉速增加到發電機額定轉速的過程中，發電機轉速大約會增加10%。

（3）當風速繼續增大，發電機轉速已經到達其額定值，同時發電機的輸出功率也到達了額定功率，繼續調節風輪槳距角，降低風輪的風能利用系數，保持發電機輸出的功率為額定值不變，此時風輪工作在功率恒定區，如圖1-7中的CD段所示。當風速增大到切出風速（vcut-off，系統運行時允許的最大風速）時，為了避免機組零部件的損壞，應該將風輪停止運行。

1.4.1　額定風速下發電機的控制

風吹動風輪的葉片使風輪旋轉，風輪再帶動發電機旋轉。當發電機的電磁轉矩和風輪的氣動轉矩達到平衡時，發電機處于平衡運行狀態。在直驅永磁風力發電系統中，發電機與風輪是直接相連的，因此風電機組的動態特性可以用比較簡單的數學模型來反映，即

式中　Jw——風輪的轉動慣量，kg·m2；

Tw——風輪的氣動轉矩，kN·m；

Tem——發電機的電磁轉矩，kN·m。

風輪氣動轉矩Tw的大小與風速的關系為

由式（1-18）可知，當風速發生變化時，風輪的氣動轉矩Tw和發電機的轉速隨風速v的變化而變化，發電機的電磁轉矩與風輪的輸出轉矩達到動態平衡狀態。

為了從風中獲得最多的風能，必須對風輪的轉速進行控制，得到最佳葉尖速比從而獲得最佳功率系數。由于風速的準確測量比較困難，并且增加了系統的復雜性和成本，因此一般采用不需要測量風速的控制方法，可以將式（1-13）中的功率與風速的關系轉換成功率與風輪轉速的關系，即

當風力機運行在一個最佳葉尖速比λopt時，則有一個最佳功率系數CPmax與之對應，此時輸出的功率最大，則風輪獲得的最大功率與風速之間的關系為

在這種最佳條件下，發電機最佳速度ωg與風速成正比，即

此時，發電機最大機械功率Pmax和最佳轉矩值Tmax是風速v的函數，即

式中　Kω、Kp、Kt——由風輪特性決定的常數。

將式（1-21）代入式（1-22）和式（1-23），可推導出以下關系

根據式（1-25），發電機轉矩Tg為

最大功率點跟蹤算法工作原理為：當風速為vw3時，發電機工作在最大功率點A′[圖1-8（a）]和最佳點A[圖1-8（b）]，此時發電機電磁轉矩Tem和風輪的輸出轉矩Tm處于平衡狀態；當風速增加到vw2時，Tm過渡到B點，Tem仍維持在A點。由于發電機電磁轉矩Tem小于風輪的輸出轉矩Tm，發電機轉速將增加，Tem沿著最佳曲線增加，風輪轉速下降，Tm則降低。最后，它們將在vw2的最佳轉矩曲線的C點上達到穩定狀態，對應最大功率點C′。

風輪的輸出轉矩Tm沿著Tm=f（ωg）移動，而發電機電磁轉矩Tem隨發電機的速度根據式（1-26）進行控制，因此發電機電磁轉矩Tem沿著由發電機速度ωg決定的最佳轉矩曲線移動，當發電機電磁轉矩Tem與風輪的輸出轉矩Tm相等時，系統運行在靜態平衡狀態。由式（1-18）知，當風速發生變化時，風輪的輸出轉矩Tm與發電機電磁轉矩Tem不停地跟隨風速變化最后達到一個動態平衡。若風輪的輸出轉矩Tm和發電機電磁轉矩Tem在任何給定的風速都設定為最佳值Topt，風輪則運行在相應風速下的最大功率點。

1.4.2　額定風速以上發電機的控制

根據式（1-13），從風中所獲得的能量與風速的3次方成正比，但從風中獲得的能量不能無限制的增加，在高風速狀態下，能量的獲取和風力機的轉速都必須考慮到風電機組電氣特性和物理特性的限制。為了防止電氣裝置的損壞，在高風速下，應限制發電機的功率輸出使之保持為發電機的額定輸出功率。為了預防機械部件損壞，超過額定風速時就要采取措施，限制風輪和發電機的轉速使其低于某個極限值，在超過切出風速時應該將風輪停止運行。

從風中所獲得的能量也與風輪的功率系數成正比，因此要限制額定風速以上風輪輸出的功率也可以通過控制功率系數來實現。由前述可知：風輪的功率P既是葉尖速比λ的函數，也是槳葉槳距角β的函數，因此有兩種方法來控制風輪的功率系數：一是通過改變發電機的轉速來改變風輪的葉尖速比；二是改變槳葉槳距角以改變空氣動力轉矩。

實際上，變速風電機組在高于額定風速運行時，也可以將轉速調節控制和變槳距調節控制結合起來使用，這樣雖然增加了額外的變槳距機構和相應的控制系統的復雜性，但由于可以顯著提高傳動系統的柔性及輸出的穩定性，因此是變速風電機組理想的控制方案。

1.4.3　最大功率點跟蹤控制策略

從前面的分析可知，要提高風能利用系數，必須在風速變化時及時調整風輪的速度，保持葉尖速比為最佳值，才能使風電機組運行在變速運行狀態時捕獲更多的能量。有文獻表明當變速恒頻風電機組采用最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）控制策略時，所捕獲的功率比恒速恒頻風電機組要多9%～11%。目前運用最廣泛的MPPT控制策略主要是爬山搜索法。

爬山搜索法的基本思想是：首先人為地給風力發電系統施加一個轉速擾動，然后根據測量到的功率的變化情況，通過使用特定的推理機制來自動搜尋發電機的最佳轉速點，使發出的功率接近最大功率。這種控制方法與風輪的空氣動力學特性無關，可以用軟件來實現。