控制系统结构优化方案：变速风力发电系统的最大风能利用系数

变速风力发电系统所追求的控制目标就是使风力机始终具有最大的风能利用系数。风力机只有在最佳叶尖速比下运行，才能输出最大机械功率。

风力机在不同风速下输出的最大功率（即发电机最佳输入功率）减去发电机的空载损耗（电机实验得到），就得到了发电机的最佳电磁功率。

P_emopt＝P_mmax－P₀ （7-12）

式中 P₀——发电机空载损耗；

P_mmax——风力机输出的最大功率。

风力机在各种风速下产生最大机械功率时的转速就是发电机相应的转速，据此可获得了发电机最佳电磁功率与转速的关系曲线，它反映的风力机输出功率正好与转速呈立方关系。

P_emopt＝k_pn³－P₀ （7-13）

同时有

P_emopt＝M_eΩ

式中 M_e——发电机电磁转矩；

Ω——发电机转动角速度；

k_p——比例系数。

即

由式（7-13）和式（7-14）可以推导出发电机电磁转矩和发电机转速最佳工作曲线的关系，此关系同样反映风力机输出功率与转速成立方关系。为了便于实现，在实际应用时，可以通过两条直线组成的折线来逼近这条工作曲线为

式（7-15）中，k、b均为常数，由风力机的几何结构决定。按此关系来控制发电机的转矩—转速特性，实际上就可以控制风力机按照最佳叶尖速比运行，实现最大功率点跟踪控制。因为

M_e＝C_TI_dcΦ（7-16）

E＝C_enΦ （7-17）

式中 C_T——电磁转矩常数；

I_dc——发电机的输出电流；

Φ——每极主磁通；(www.xing528.com)

E——发电机电枢电动势；

C_e——比例常数。

把式（7-16）、式（7-17）代入式（7-15）得

根据简化算式

U_dc＝E－I_dcR （7-19）

式中 U_dc——发电机输出的直流电压；

R——电机电枢绕组电阻。

将式（7-18）代入式（7-19）得：

一旦发电机和风力机选定以后，C_e、C_T、φ、k、b、R是常数，因此令

则有

I_dc＝k′U_dc＋b′ （7-23）

式（7-23）表明，只要检测到发电机输出电压U_dc，求出所对应的控制参考电流I_dc。通过控制变流器，使得发电机输出电流逼近I_dc，就可以控制发电机的电磁转矩－转速特性符合式（7－15），从而使得风力机在最优状态下运行。至此，即获得了在额定功率以下风力机最佳叶尖速比运行的实际控制方法。

图7-19 功率变换控制结构图

主电路和控制框图如图7-19所示，为了得到宽的变速范围，通过三相二极管整流器和IGBT逆变器之间的升压斩波器，调节输入直流电流以跟踪最优的参考电流，从而跟踪风力机的最大功率点，其参考电流的计算式如式（7-23）所示。连接在电网的PWM逆变器通过调节直流连接电压将电流送入公共电网。在逆变器控制结构中，采用d－q轴同步参坐标系，通过q轴电流控制有功功率，通过d轴控制无功功率，采用锁相环PLL检测电网电压相位角。

图7-19所示的方法为基于转矩的控制方法，即在斩波器侧控制直流电流，从而控制发电机转速，达到最大功率俘获的目的。直流电压控制器保持直流连接环节的功率平衡，这使得有功功率能送入电网，电流内环控制器工作在同步参考结构并带适宜的反电动势补偿，因而具有快速响应能力。根据附加的接在电网端的d轴电流，控制无功功率。