：并网型风力发电系统有恒速恒频(Constant Speed Constant Fmquency,简称CSCF)和变速恒频(VariableSpeed Constant Frequency,简称VSCF)两种工作方式。本文介绍了两种方式下不同的电路拓扑结构及其优缺点,在此基础上概述了不同风速下风力发电机组的控制方法。风力发电机组的控制通常按风速分为起动、额定风速以下及额定风速以上3个阶段。

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第4 0卷第 6期20 0 6年 1 2月

电力电子技术P w rElc r nc o e e to is

V 1 0, . o . No6 4

De e e, 0 6 c mb r 2 0

并网型风力发电机组的控制技术综述耿华，杨耕’小亮，马(. 1清华大学，北京 10 8; . 0 0 4 2天津大学，天津 30 7 ) 0 0 2

摘要：网型风力发电系统有恒速恒频 ( o s n p e o s n m u ny简称 C C )变速恒频 ( a a l并 C nt t edC nt t q ec, a S a F SF和 V r be i S edC nt t rq ec, pe os n eu ny简称 V C ) a F S F两种工作方式。本文介绍了两种方式下不同的电路拓扑结构及其优缺点，在此基础上概述了不同风速下风力发电机组的控制方法。风力发电机组的控制通常按风速分为起动、额定风速以下及额定风速以上 3个阶段。重点讨论了 V C S F方式下，额定风速以下阶段的最大风能捕获控制方法，以及额定风速以上阶段的桨矩角控制方法，比较了各种方法的优缺点。最后介绍了当前的几个研究热点。并

关键词：风力发电机；电机；制，控最大功率点追踪中图分类号： M 1,M5 1 T 6 4 T 7文献标识码： A文章编号：0 0 10 2 0 )6 0 3 - 4 1 0— 0 X(0 6 0 -0 3 0

S r e fCo t o t a e isu e o i -o n ce i d Ge e a o s u v y o n r l r t ge s d f r Grd c n e t d W n n r t r SGE NG a .Y Hu ANG Ge g,MA a—in n Xio l g a

( . i h aU i rt, e i 0 0 4 C ia 2Taj gU i ri,T ni 0 0 2 C ia 1 s g u n esy B in 10 8, hn; . ni n es y i j g3 0 7, hn ) Tn v i jg i n v t a n A s a t h r -on c dwn eea r ytm cnw r i e o s n S edC nt t mq e c ( S F bt c: egi cn et idg nrt s a oki et r nt t p e os n uny C C ) r T d e os e n h C a a F o ai l S edC nt t rq ec V C ) e ea n— o e hs ae t d

cs ieet i uto o g sa dte r V r be p e os n eu ny( S F g nrt gm d. i p pr nr u e f rn cr itpl i n a a F i T i o df c oe hc re p n i g c a a t r t s o h w d sW h l p r t n f a wi d g n r tr s se c n b dv d d i t h e o r s o d n h r ce si ft e t o mo e . o e o e ai s o n e e ao y t m a e i i e n o t r e i c o

p a e: sat g u d rrtdwids e d a d b y n ae— id se dp a e .hsp p re h sz ste Ma i lP w r h s s tr n, n e ae - n—p e n e o d rtd w n—p e h s s i a e mp a ie h xma o e i T

P it r kn M )m to s n e tertdwn— edadtep c o t l tosb yn ert—idsed on Ta ig( P c e d d r h e— ids e n h i hcnr h d eo dt a dwn— e h u a p t o me h e pi CF mo e F n l te p p r n r d c ss v r lr s a c os o s n VS d . ia l h a e t u e e e a e e r h h t t. y, i o p Ke r swi d g n r tr y wo d: n e e ao;moo;c nr l tr o t/ P o MP T

1引言 风力发电技术以其无污染，施工周期短，投资灵活，占地少.造价低等特点，受到世界各国的高度重视。通常。风力发电系统中，机械成本占装置总成本的 8%左右。长期以来， 0由于结构简单、运行可靠，风力发电系统主要采用恒速恒频 (o s n pe o. C nt tSedC n a

A——风机的扫掠面积。 e A=r r

——桨矩角

口一

空气密度

——风速

——风机半径

A——叶尖速比，=￣/ At v o

~风机机械角速度

由式( ) 1可知，通过控制 O和电机转速 t都可 t O 改变风机吸收的风能。由空气动力学的相关知识可知，。 C最大可达 5 .称为贝兹极限【图 1 9%, 3 1 1。示出 C与 A O的关系曲线。当 O一

定时， , t t C存在最大值,

s n Feuny简称 C C )电方式I但其发电效 t t r ec, a q S F发】 J,率较低。而且机械承受的应力较大，相应的装置成本较高。为实现不同风速下的高效发电，国内外正在采用变速恒频 ( a al SedC nt t rqec, V r b pe os n Feuny简 i e a称 V C )电方式l低风速下风机转速相应下降 . S F发 l l, 从而大大降低了系统的机械应力和装置成本。本文综述了上述两种发电方式下 .并网型风力

控制使

A最优 .可实现风机的输出功率最大：当 O变化 t时，一也相应 G

变化。理想状态下 .=。应最 a 0对

发电机组的各种控制方法。

2工作原理及特点21风机功率特性 .

大 c,实际系 图1风机的C与 关系曲线,

统中.由于桨叶中杂质和气流等的影响，最优值一

风机从风中吸收的有功功率，即风机的输出功

般在 0附近，。可通过现场调试获得。CC S F和 V C S F发电方式各有优缺点，而且两种

22 C C . S F和 V CF的工作原理及特点 S

率为] :式中 c

= pp{CA v风机的功率系数， p (, C= ) f

() 1

定稿日期：0 6 1- 6 2 0— 0 1作者简介：耿华(9 1 )男， 18一，江苏扬州人，博士研究生。研究方向为能量优化。

方式下所采用的发电机类型和电路拓扑结构有所区别。由于同步机并网比较困难，S F一般采用鼠笼式 CC异步电机。图 2示出其典型的电路拓扑结构l a】 1。当风机带动发电机达到或接近同步速时，并网运行，此后33

：并网型风力发电系统有恒速恒频(Constant Speed Constant Fmquency,简称CSCF)和变速恒频(VariableSpeed Constant Frequency,简称VSCF)两种工作方式。本文介绍了两种方式下不同的电路拓扑结构及其优缺点,在此基础上概述了不同风速下风力发电机组的控制方法。风力发电机组的控制通常按风速分为起动、额定风速以下及额定风速以上3个阶段。

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山基本保持恒定，系统送入电网的电压频率恒定。 r

轮箱，则与图 2 d方案相比，统成本并未增加。系相应

VC S F一般采用交流励磁的双馈发电机【同步发电 2]、 机I。】或直接驱动的多级永磁同步发电机【图 2,, 。 b cd示出其相应的电路拓扑。系统运行时，在不同下控制发电机变速运行，提高风能的利用率，系统送入电

网的电压频率恒定。对于双馈发电机，通过控制转子侧的滑差功率来改变其；于同步发电机 .过控对通

地，系统的机械效率较高，免去了齿轮箱的维护，运行可靠，随着大容量电力电子器件的发展 .将会得到更多的应用。

3并网风力发电机组的控制迄今，已有许多文献对用于并网型风力发电机组的控制方法做了研究。通常，可根据的大小，将风力发电机组的控制分为起动、额定风速以下及额定风速以上 3个阶段【“

制定子侧的有功功率来改变其 I。 . O风机

电嘲

CC S F发电方式下，电机起动后，发在额定风速以下，控制 I基本不变； . O 在额定风速以上’,需通过桨叶的失速或者调节限制其功率输出I S F电 t C发 ] V方式下，电机起动后 .发在额定风速以下 .根据的

补偿电容器 () a鼠笼式异步发电￣ ( S F L C) C双馈

风机

电网

变化调节 I, .实现最大风能的转换， O 由于1的限制， . O 该阶段又分为变速运行区和恒速运行区，恒速区需要调节 O以限制∞; L,在额定风速以上。因和输出 功率的限制，一方面需要调节，限制另一方面需通过变频器限制其输出功率[ 4 1。 31 C C . S F方式下风力发电机组的控制

电网

以鼠笼式异步发电机为例，大于切入速度后， 当检测到发电机与电网相序相同，并且∞接近同步

速时，控制其并网。由于并网前鼠笼式异步发电机的风电悯

定子端电压为零，所以并网瞬问定子冲击电流可达

56￣倍额定电流值。为抑制该冲击电流 .一般采用软图2 CC S F和 V C S F风电系统的电路拓扑

并网的方法 .电机经双向晶闸管连网。过电流反发通

表1给出几种发电方案的性能对比。由于大容量风机的较低，一般为 2r i 5 mn左右。因此采用/图 2方案时，若不加增速齿轮箱 .则系统工作在 b 5H下。 0 z需要设计电机的极对数为 10显然无法 2,实现表 1几种风力发电方案的性能对比拓扑结构图 2 a图 2 b图 2 c图 2 d

馈控制双向晶闸管导通角从 0~ 8。。 10逐渐打开，将冲击电流限制在 1~倍额定值左右， .2 5并网结束后， 再将晶闸管短接【“。在额定风速以下，一定

时，电机向电网输出 1 9感应 的功率取决于电机滑差 s电机参数，基本保持不和 s变 .电机参数一定，而故无法控制电机的输出功率。 图 3出发电机惯例下鼠笼式异步发电机的转矩示与转速的特性曲线。上述工况为电机工

发电机鼠笼异步双馈同步永磁同步发电机发电机发电机发电机鲁棒，宜，机械承受应力械承受械承受便 机机电气损耗小噪声小 .应力和噪力和噪和气应优点动效率高，声小 .动小 .动变气声气频器容量小效率高效率高，无需齿轮箱气动效率气损耗较气损耗气损耗电电电低，机械承，齿轮箱，和变频器变频器大有 和缺点受应力和噪昂贵容量大 .容量大 .有昂声大 .有齿齿轮箱 .贵。较电机体轮箱昂贵积大.复杂

作在线性工作区 O B段。在额定风速以上， 电机的输出功率随风。 ... ..

D B

速的增加而增加 .电机沿与∞特性曲线 ,.

发电

的O B方向运行 .当输图 3异步电机与∞曲线出功率超过日点所对应的功率时，电机运行到非线性

采用图 2案时。 d方因直驱式永磁同步发电机可

区B C段，随着∞的升高，减小， 会引起电机飞车。为避免此类危险，失速型风机通过桨叶失速限制输出功率，而变桨矩风机通过改变限制输出功率。

发出低频交流电，电机所需极对数较少，因此尽管该方案需要额定容量的功率变换器，但因其能节省齿3 4

：并网型风力发电系统有恒速恒频(Constant Speed Constant Fmquency,简称CSCF)和变速恒频(VariableSpeed Constant Frequency,简称VSCF)两种工作方式。本文介绍了两种方式下不同的电路拓扑结构及其优缺点,在此基础上概述了不同风速下风力发电机组的控制方法。风力发电机组的控制通常按风速分为起动、额定风速以下及额定风速以上3个阶段。

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：并网型风力发电系统有恒速恒频(Constant Speed Constant Fmquency,简称CSCF)和变速恒频(VariableSpeed Constant Frequency,简称VSCF)两种工作方式。本文介绍了两种方式下不同的电路拓扑结构及其优缺点,在此基础上概述了不同风速下风力发电机组的控制方法。风力发电机组的控制通常按风速分为起动、额定风速以下及额定风速以上3个阶段。

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法，通过设计非线性控制器，以实现控制目标 。

参考文献【】叶杭冶. 1 风力发电机组的控制技术[ . M】北京：机械工业出版社 .0 2 20.

在恒速运行区，由于的限制，需要通过增大 a来限制，此时电机运行于图 4的 E F段。目前的 O控制方法一般建立在小信号模型的基础上嗍图 7 t, 示出控制框图。其控制器一般为线性 PD控制器l。 I l o】也可采用非线性如鲁棒控制器【 l 1 l

[1 SM

ul .o byF dId co e ea rSs m[ . E 2 2 l r u l e n u t nG nrt yt J I E eD i o e]EI gz e 2 0,( )2￣ 3 A Maai,0 2 8 3:6 3 . n 【 R D t, agn t nA Me o f rc i e ek 3】 a aV TR na a a . t do akn t a t h h T gh PP w r P i t fr a Va a l S e d W i d E e g o e on s o i r be pe n n ry

C nes nSs m[. E rn. nE eg o vr o, ovr o yt JI E Tas o n r C n e in i e]E y s

2 0,8 1:6￣ 6 . 0 3 1 ( ) 13 1 8图 7小信号模型法控制框图[1 A d￣ Ga es fcec f he n nryG nrt 4 ne r r. f inyo T reWidE eg eea r u Ei o

() 3额定风速以上阶段由于和输出功率的 限制，一方面需要通过增大来限制风机转速，另一

S s ms[ _ E rn. o n r o vro,9 6 1 yt e J I E Tas nE eg C n e i 19,】E y s n 1( )60 6 7 3:5￣ 5 .

【】刘其辉，益康， 5 贺赵仁德.变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制[. J电力系统自动化，0 3 2 (0:6 2 .] 2 0,7 2 )2— 9【】 M r t S aaa aH,S nd 6 oi o,N kym mo aa aM,e 1 Snols ta. esr s eOup t t u Ma i z t n o t f r x miai C n ml o Va a l—p e W i d o i r be s e d n

方面还需要通过电气控制来限制输出功率。控制

方法与上述类似。

4结论与展望对并网型风力发电机组的控制方法进行了简单介绍，其结论为：

G nrt nSs m U igIMS【. E rn. o n eea o yt s i e n P G JI E Tas nI— 1E

d syA pi t n, 0 5 4 ( )6￣ 7 ut p l a os 2 0, 11:0 6 . r ci【】 Y m m t M, oooh O A t ea dR at eP w r 7 a a oo M tysi . c v n ec v o e i iC nr lf r D u l—

d Wo n tr I d cin Ge e ao o t o o b y f o e u d Roo n u t n r tr o

() 1不同风速下 . S F方式的风机都工作在最 VC高效率点，风电系统的效率比 C C S F提高了 1%左 0右。将逐步替代 C C方式[ SF 2】。 () 2随着大容量电力电子器件的发展，风电系统中 直驱式永磁同步发电机将会得到更多的应用和发展。 () 3针对风电机组的控制，目前，电机转速控发制和变速运行区的最大风能捕获方法已较为成熟 .

【. E r s o o e Eet n s 19, ( )64 JI ETa . nP w r l r i,9 16 4:2￣]E n coc6 9 2.

【】 Mu ai B t re .ihcnr ldV r besed 8 l d E, u e l CPPt—ot l a al— e j tf d i c oe i pWi ubn eeai[. E rn. o n ut n T rie G nrt n JI E Tas d o]E n Id s y r A pi t n,0 13 ( )20 2 6 pl ai s20,7 1:4 - 4 . c o 【】 Hogh u, igigG o 9 nc eG o Qn dn u . H￣C nrl f a al se d o t r be pe o oVi

A js bepth Wid T rie Ad s be ih S s m dut l-i n ubn j t l·t yt a -c ua - c p e【1C MS 3c.0 3 ( )2 6 2 9 A . E 0[1 0, 1:6 - 6 . I 2 - [0 C ei MrdF B s It l et o t l f l s 1] hddR, a, amaM. e i n C n Ca n lg r o a s o o n nr ovr o yt s[ . E rn. o fWidE e C ne inSs m JI E Ta s n y g s e 1E E eg o vri,9 9 1 ( ) 19￣ 6 4 nryC nes n 19,4 4:5 7 10 . o [1 su a,A Sfcs s pol aai,e a.A 11 To m s a a,E Ti l e nk8 t 1 n I a m sfO t lCo t lSrtg faVa a l S e d Wid E eg pi nr t e o r be p e n n ry ma o a y i

当前的研究热点有：①在恒速运行区及额定风速以 上运行时，

由于桨矩角与风机转速的非线性关系，所以有效的桨矩角控制及桨矩角与电气的协调控制方

法有待研究；②随着电网内风电容量的增大，随机性的风电对电网的稳定性的影响需进一步研究。(接第 2上 6页)一 —

C ne i yt A . E S 3C,0 3 2 4 2 7 ovro S s m[1C M 0[120:7￣ 7 . s n e I

的运行特性。L。… 0 0一 …… 0

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粤

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5结

论

实验结果表明。以 S 7 1 1 T 24为核心控制芯片的 直流变速空调控制器控制效果良好，能够简化硬件

( ) 8 1 l b五= 4t l -, z]"鞋《-

二1一 t i i— _【棚 .

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辩

篱 匪() e 2 0 I f f￣ 2 t时 z

设计 .有效降低了系统的硬件成本，并且该方案已成功用于家用直流变转速空调产品的开发中。

参考文献…张 1 琛.直流无刷电动机原理及应用[ .: M1北京机械工业出版社 .0 1 20 .

[ 2张相军.无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究 2 】【】 D.上海大学[博士论文】 0 0 . 0。 2【】 S a set 8MC i l tcMo rC nrlA C, 3 T D t he. - U wt Ee r— t o t, D a h ci o o1- iTm r,Ine ae .T colc o i,0 2 6 bt i e P tfc[ S Mi eet nc 2 0 . s I r M] r r s

图4相电流 i和相电压实验结果

由图可见，压缩机的与 u保持同步， 保证了 压缩机的稳定运行，在适当的斩波频率下，具有很好3 6