1.2.3 風力機控制系統

圖1-4中變速風力機的控制系統需要計算出發電機電磁轉矩指令值和槳距角指令值，這樣才能實現以下幾個控制要求：

1）捕獲最大風能。

2）保障風力機安全運行，確保功率、速度和轉矩均處于限制范圍內。

3）傳動系統機械載荷最小。

控制策略的設計是一件非常復雜的工作，因為它和風力機的空氣動力學和機械設計息息相關。本節首先介紹了風力機控制系統的通用控制策略，接著介紹了與風能捕獲和速度-功率控制相關的控制策略。本章只進行控制策略的簡單舉例介紹，后續章節將會更深入地根據電力系統的穩定性分析以及相應的評估指標建立控制策略。

一臺變速風力機通用的控制策略通常分為三個不同的層次，如圖1-7所示。這也是本書的重點，詳細內容將在后面章節中進行分析。

圖1-7 風力機的通用控制策略

控制層1調節電網和發電機之間的功率流動。轉子側變換器可實現發電機的電磁轉矩控制和定子側無功功率獨立控制。網側變換器提供變換器和電網之間的有功功率和無功功率的解耦控制。在轉子和直流母線之間存在有功功率的交換，通過網側變換器控制直流母線和電網間交換的有功功率來保持直流母線電壓不變。

控制層2控制風能向機械能的轉換，也就是風力機能從風中捕獲到的能量。該層需要計算出控制層1的指令值，通常主要有兩種運行模式：①盡量從風中吸收最多的功率，正如在前面講過的，調節轉矩即定子有功功率和槳距角指令值，保證風力機運行在最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）模式，這是使投資回報率最高的正常運行模式。②跟隨從更高控制層來的有功功率和無功功率指令值，這種模式下風力機有備用容量是必要的，當電網越來越依賴于風力發電時，這在未來將是重要的一種模式。

控制層3致力于風力機并網運行層面。該層需要完成和風電場控制一樣的功能：①提供輔助服務：電壓Vgrid和頻率fgrid控制或慣性響應。②跟隨來自電網調度或風電場集控中心的有功功率和無功功率指令值。