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[摘 要]风力发电机在工作时由于受到环境或是自身身结构的影响，很容易影响其功率，如环境温度、电机组运行中扭矩和转速振荡幅值大、控制持续时间长等因素，影响了发电机的运行可靠性。本文针对风力发电机组常规控制中影响其运行可靠性的因素进行了分析，对风力发电机的机组控制进行了优化。该优化策略对于提高风力发电机组的可靠性具有重要的作用，而且还能够有效延长发电机机组的使用寿命。
[关键词]风力发电；机组控制；优化
中图分类号：S557 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）18-0319-01
随着我国科技的不断进步，在风力发电中为了防止风能转换系统承受的载荷过重，风力发电机组的控制技术由原来单一的定桨距失速控制转向变速控制和变桨距控制，提高了风能的利用率，而且提高了电网的供电质量，满足了人们对于电能的需求。但是风力发电机组是一种复杂的多变量非线性系统，为了能够使其得到很好的控制，需要对其进行优化控制，从而使其功率得到有效控制，为电网的安全和稳定运行提供保障。
1 风力发电机组的常规控制策略
直驱型风力发电机组，自启动阶段到最高转速或扭矩阶段，都是在跟随机组设计的转速-扭矩曲线的。
1.1 启动阶段
当处于待机状态的机组检测到当前3s（或10s）内的平均风速达到机组的切入风速（常规3m/s）时，机组执行变桨，当检测到的风速不同时，为保证机组的安全启动，将执行不同的启动桨叶节距角，如表1所示。
当机组的转速逐步上升到机组的切入转速，并且持续一定时间时，机组的主控系统向变流器发出启动并网指令，变流器接收到并网指令后，执行机组并网。一旦变流器执行并网后，主控系统向变流器发送对应启动转速的扭矩指令，如图1中的，而变流器为减小对机组和电网的冲击，执行柔性并网，即从零扭矩逐步加大直至达到主控系统给出的启动扭矩。而在这个阶段如果实际测量的风速超过切出风速，应当立即停机，或者是按照一定的速率逐步调节桨距角，使其达到最小值（一般为0°、0.5°、-0.5°），同时不断的按照当前的转速给出相对应的扭矩。如图1中A-B所示。
1.2 最大功率追踪阶段
当机组完成启动后，主控系统调节桨叶节距角，机组转速不断地上升，此时的机组进入最大功率追踪区，转速处于启动转速和额定转速之间即图1中的B-C段。在最大功率追踪区，机组的主要控制任务就是捕捉最大的风能，即始终都在追求最大的风能利用系数。
在该区间内，桨叶节距角总处于机组设计的最小角度，以最大迎风面来接收风能。如果主控系统在10s内测出平均风速为V，则此时的叶尖速比为：
在式（1）中的λ可取任意值，由机组的叶轮特性决定，只有在一个最佳的叶尖速比时，叶轮才能从风能中吸取最大的风能，也就是存在一个最大的风能吸收系数。机组风轮特性决定机组具有特定的风能吸收系数与叶尖速比λ的关系，常规机组-λ曲线如图2所示。
在风速为V时，为保持机组的最大风能吸收系数，则必须追求最佳的叶尖速比，从而能确定出所需要的叶轮转速：
2 直驱型风电机组控制策略的优化
2.1优化风力发电机气动性能参数
设计风力机叶片，除了确定其结构外形尺寸外，还必须对叶片进行气动性能计算。由空气动力学可知，风力机的输入功率为：
由于通过叶片旋转面的风能并非全部都能被风力机所吸收，可定义其风能利用系数：
所以风力机的输出机械功率为：
风能利用系数是表征风力机效率的重要参数，它与风速、叶片转速和叶片直径均有关系。为了便于讨论的特性，可定义风力机的另一个重要参数叶尖速比λ，即叶片尖端线速度与风速之比为：
2.2 额定风速以下的优化
在额定风速以下，风电机组控制系统采用最优控制法取代前期使用的查表法，并且根据空气密度的变化自动调控最优模态值，使得风电机组可以在更大的风速范围内跟踪最佳叶尖速比，实现风能利用效率的最大化。得到风电场的空气密度后，最优增益模态值的计算公式為：
2.3 额定风速以上的优化
在额定风速以上，采用恒功率控制方式代替原有的恒转速控制方式，通过增加传动链阻尼滤波器来减小发动机扭矩的偏差，使得发动机转速的变化平缓，从而使发电机组在大风速下输出稳定的功率，保证风机的利用率达到90%以上，为电机的可靠运行提供了保障。
结束语
综上所述，本文对风力发电机组的基本控制进行了分析，提出了对其进行优化的策略，主要是在其扭矩和转速振幅大以及持续时间长等方面进行了优化，采用恒功率控制与变桨距控制的方法，通过计算选择最优的增益模态值，使发电机组在额定状态下，提高工作效率以及可靠性。优化后的控制策略很好地抑制了功率的波动，使电机能够稳定运行。
参考文献
[1] 魏煜锋，陈宝康，余高阳，石宇峰.大型风力发电机组复杂地形下整机运行载荷测试及优化分析[J].机械传动，2017，41（08）：145-149.
[2]刘星宇.双馈风力发电机优化功率控制策略研究[J].通信电源技术，2016，33（01）：8-11.
[关键词]风力发电；机组控制；优化
中图分类号：S557 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）18-0319-01
随着我国科技的不断进步，在风力发电中为了防止风能转换系统承受的载荷过重，风力发电机组的控制技术由原来单一的定桨距失速控制转向变速控制和变桨距控制，提高了风能的利用率，而且提高了电网的供电质量，满足了人们对于电能的需求。但是风力发电机组是一种复杂的多变量非线性系统，为了能够使其得到很好的控制，需要对其进行优化控制，从而使其功率得到有效控制，为电网的安全和稳定运行提供保障。
1 风力发电机组的常规控制策略
直驱型风力发电机组，自启动阶段到最高转速或扭矩阶段，都是在跟随机组设计的转速-扭矩曲线的。
1.1 启动阶段
当处于待机状态的机组检测到当前3s（或10s）内的平均风速达到机组的切入风速（常规3m/s）时，机组执行变桨，当检测到的风速不同时，为保证机组的安全启动，将执行不同的启动桨叶节距角，如表1所示。
当机组的转速逐步上升到机组的切入转速，并且持续一定时间时，机组的主控系统向变流器发出启动并网指令，变流器接收到并网指令后，执行机组并网。一旦变流器执行并网后，主控系统向变流器发送对应启动转速的扭矩指令，如图1中的，而变流器为减小对机组和电网的冲击，执行柔性并网，即从零扭矩逐步加大直至达到主控系统给出的启动扭矩。而在这个阶段如果实际测量的风速超过切出风速，应当立即停机，或者是按照一定的速率逐步调节桨距角，使其达到最小值（一般为0°、0.5°、-0.5°），同时不断的按照当前的转速给出相对应的扭矩。如图1中A-B所示。
1.2 最大功率追踪阶段
当机组完成启动后，主控系统调节桨叶节距角，机组转速不断地上升，此时的机组进入最大功率追踪区，转速处于启动转速和额定转速之间即图1中的B-C段。在最大功率追踪区，机组的主要控制任务就是捕捉最大的风能，即始终都在追求最大的风能利用系数。
在该区间内，桨叶节距角总处于机组设计的最小角度，以最大迎风面来接收风能。如果主控系统在10s内测出平均风速为V，则此时的叶尖速比为：
在式（1）中的λ可取任意值，由机组的叶轮特性决定，只有在一个最佳的叶尖速比时，叶轮才能从风能中吸取最大的风能，也就是存在一个最大的风能吸收系数。机组风轮特性决定机组具有特定的风能吸收系数与叶尖速比λ的关系，常规机组-λ曲线如图2所示。
在风速为V时，为保持机组的最大风能吸收系数，则必须追求最佳的叶尖速比，从而能确定出所需要的叶轮转速：
2 直驱型风电机组控制策略的优化
2.1优化风力发电机气动性能参数
设计风力机叶片，除了确定其结构外形尺寸外，还必须对叶片进行气动性能计算。由空气动力学可知，风力机的输入功率为：
由于通过叶片旋转面的风能并非全部都能被风力机所吸收，可定义其风能利用系数：
所以风力机的输出机械功率为：
风能利用系数是表征风力机效率的重要参数，它与风速、叶片转速和叶片直径均有关系。为了便于讨论的特性，可定义风力机的另一个重要参数叶尖速比λ，即叶片尖端线速度与风速之比为：
2.2 额定风速以下的优化
在额定风速以下，风电机组控制系统采用最优控制法取代前期使用的查表法，并且根据空气密度的变化自动调控最优模态值，使得风电机组可以在更大的风速范围内跟踪最佳叶尖速比，实现风能利用效率的最大化。得到风电场的空气密度后，最优增益模态值的计算公式為：
2.3 额定风速以上的优化
在额定风速以上，采用恒功率控制方式代替原有的恒转速控制方式，通过增加传动链阻尼滤波器来减小发动机扭矩的偏差，使得发动机转速的变化平缓，从而使发电机组在大风速下输出稳定的功率，保证风机的利用率达到90%以上，为电机的可靠运行提供了保障。
结束语
综上所述，本文对风力发电机组的基本控制进行了分析，提出了对其进行优化的策略，主要是在其扭矩和转速振幅大以及持续时间长等方面进行了优化，采用恒功率控制与变桨距控制的方法，通过计算选择最优的增益模态值，使发电机组在额定状态下，提高工作效率以及可靠性。优化后的控制策略很好地抑制了功率的波动，使电机能够稳定运行。
参考文献
[1] 魏煜锋，陈宝康，余高阳，石宇峰.大型风力发电机组复杂地形下整机运行载荷测试及优化分析[J].机械传动，2017，41（08）：145-149.
[2]刘星宇.双馈风力发电机优化功率控制策略研究[J].通信电源技术，2016，33（01）：8-11.