变桨距机组控制策略优化

变桨距控制型风轮的优点为：①启动性好；②刹车机构简单，叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降；③额定点以前的功率输出饱满；④额定点以后的输出功率平滑；⑤风轮叶根承受的静、动载荷小。

变桨距控制型风轮的缺点为：①由于有叶片变距机构、轮毂较复杂，可靠性设计要求高，维护费用高；②功率调节系统复杂，费用高。

3.3.2.1　变桨距控制系统

新型变桨距控制系统框图如图3-16所示。

图3-16　新型变桨距控制系统框图

在风力发电机组并入电网前，风力发电机转速由速度控制器A根据发电机转速反馈信号与给定信号直接控制；风力发电机组并入电网后，速度控制器B与功率控制器起作用。功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器B的速度给定。

节距的给定参考值由控制器根据风力发电机组的运行状态给出。如图3-16所示，当风力发电机组并入电网前，由速度控制器A给出；当风力发电机组并入电网后由速度控制器B给出。

1.变桨距控制

变桨距控制系统实际上是一个随动系统，其控制系统如图3-17所示。

图3-17　变桨距控制系统

变桨距控制器是一个非线性比例控制器，它可以补偿比例阀的死带和极限。变桨距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经D/A转换后变成电压信号控制比例阀（或电液伺服阀），驱动液压缸活塞，推动变桨距机构，使桨叶节距角变化。活塞的位移反馈信号由位移传感器测量，经转换后输入比较器。

2.速度控制系统A（发电机脱网）

转速控制系统A在风力发电机组进入待机状态或从待机状态重新启动时投入工作，如图3-18所示。在这些过程中，通过对节距角的控制，转速以一定的变化率上升，控制器也用于在同步转速（50Hz时1500r/min）时的控制。当发电机转速在同步转速±10r/min内持续1s发电机将切入电网。

图3-18　速度控制系统A

控制器包含着常规的PD控制器和PI控制器，接着是节距角的非线性化环节，通过非线性化处理，增益随节距角的增加而减小，以此补偿由于转子空气动力学产生的非线性，因为当功率不变时，转矩对节距角的比是随节距角的增加而增加的。

当风力发电机组从待机状态进入运行状态时，变桨距系统先将桨叶节距角快速地转到45°，风轮在空转状态进入同步转速。当转速从0增加到500r/min时，节距角给定值从45°线性地减小到5°。这一过程不仅使转子具有高启动力矩，而且在风速快速地增大时能够快速启动。

发电机转速通过主轴上的感应传感器测量，每个周期信号被送到微处理器作进一步处理，以产生新的控制信号。

3.速度控制系统B（发电机并网）

风力发电机组切入电网以后，速度控制系统B作用。如图3-19所示，速度控制系统B受发电机转速和风速的双重控制。在达到额定值前，速度给定值随功率给定值按比例增加。额定的速度给定值为1560r/min，相应的发电机转差率为4%。如果风速和功率输出一直低于额定值，发电机转差率将降低到2%，节距控制将根据风速调整到最佳状态，以优化叶尖速比。

如果风速高于额定值，发电机转速通过改变节距来跟踪相应的速度给定值。功率输出将稳定地保持在额定值上。从图3-16中可以看到，在风速信号输入端设有低通滤波器，节距控制对瞬变风速并不响应，与速度控制器A的结构相比，速度控制器B增加了速度非线性化环节。这一特性增加了小转差率时的增益，以便控制节距角趋于0°。

3.3.2.2　功率控制

为了有效地控制高速变化的风速引起的功率波动，新型的变桨距风力发电机组采用了转子电流控制器（RootorCurrentControl，RCC）技术，即发电机转子电流控制技术，通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率，从而改变风轮转速，吸收由于瞬变风速引起的功率波动。

图3-19　速度控制系统B

1.功率控制系统

功率控制系统如图3-20所示，它由两个控制环组成。外环通过测量转速产生功率参考曲线。发电机的功率参考曲线如图3-21所示，参考功率以额定功率的百分比的形式给出，在点划线限制的范围内，功率给定曲线是可变的。内环是一个功率伺服环，它通过RCC对发电机转差率进行控制，使发电机功率跟踪功率给定值。如果功率低于额定功率值，这一控制环将通过改变转差率，进而改变桨叶节距角，使风轮获得最大功率。如果功率参考值是恒定的，电流参考值也是恒定的。

图3-20　功率控制系统

2.转子电流控制器原理

图3-20所示的功率控制环实际上是一个发电机转子电流控制环。如图3-22所示，转子电流控制器由快速数字式PI控制器和一个等效变阻器构成。它根据给定的电流值，通过改变转子电路的电阻来改变发电机的转差率。在额定功率时，发电机的转差率能够从1%到10%（1515～1650r/min）变化，相应的转子平均电阻从0到100%变化。当功率变化即转子电流变化时，PI调节器迅速调整转子电阻，使转子电流跟踪给定值，如果从主控制器传出的电流给定值是恒定的，它将保持转子电流恒定，从而使功率输出保持不变。与此同时，发电机转差率却在作相应的调整以平衡输入功率的变化。

图3-21　功率参考曲线(www.xing528.com)

为了进一步说明转子电流控制器的原理，下面从电磁转矩的关系式来说明转子电阻与发电机转差率的关系。从电机学可知，发电机的电磁转矩为

式中 p——电机极对数；

m1——电机定子相数；

ω1——定子角频率，即电网角频率；

U1——定子额定相电压；

s——转差率；

R1——定子绕组的电阻；

X1——定子绕组的漏抗；

R′2——折算到定子侧的转子每相电阻；

X′2——折算到定子侧的转子每相漏抗。

图3-22　转子电流控制系统

由式（3-1）可知，只要R′2/s不变，电磁转矩Te就可保持不变，从而发电机功率就可保持不变。因此，当风速变大，风轮及发电机的转速上升，即发电机转差率s增大，只要改变发电机的转子电阻R′2，使R′2/s保持不变，就能保持发电机输出功率不变。如图3-23所示，当发电机的转子电阻改变时，其特性曲线由1变为2，运行点也由a点变到b点，而电磁转矩Te保持不变，发电机转差率则从s1上升到s2。

3.转子电流控制器的结构

图3-23　发电机运行特性曲线的变化

转子电流控制技术必须使用在绕线转子异步发电机上，用于控制发电机的转子电流，使异步发电机成为可变转差率发电机。采用转子电流控制器的可变转差率异步发电机结构如图3-24所示。

图3-24　可变转差率异步发电机结构示意图

转子电流控制器安装在发电机的轴上，与转子上的三相绕组连接，构成一电气回路。将普通三相异步发电机的转子引出，外接转子电阻，使发电机的转差率增大至10%，通过一组电力电子元器件来调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率。转子电流控制器电气原理如图3-25所示。

图3-25　转子电流控制器电气原理图

RCC依靠外部控制器给出的电流基准值和两个电流互感器的测量值计算出转子回路的电阻值，通过IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）的导通和关断来进行调整。IGBT的导通与关断受一宽度可调的脉冲信号（PWM）控制。

IGBT是双极型晶体管和MOSFET（场效应晶体管）的复合体，所需驱动功率小，饱和压降低，在关断时不需要负栅极电压来减少关断时间，开关速度较高；饱和压降低减少了功率损耗，提高了发电机的效率；采用脉宽调制（PWM）电路，提高了整个电路的功率因数，同时只用一级可控的功率单元，减少了元件数，电路结构简单。由于通过对输出脉冲宽度的控制就可控制IGBT的开关，所以转子电流控制系统的响应速度加快。

转子电流控制器可在维持额定转子电流（即发电机额定功率）的情况下，在0至最大值之间调节转子电阻，使发电机的转差率大约在0.6%（转子自身电阻）至10%（IGBT关断，转子电阻为自身电阻与外接电阻之和）之间连续变化。

为了保护RCC单元中的主元件，IGBT设有阻容回路和过电压保护。阻容回路用来限制IGBT每次关断时产生的过电压峰值。过电压保护采用晶闸管，当电网发生短路或短时中断时，晶闸管全导通，使IGBT处于两端短路状态，转子总电阻接近于转子自身的电阻。

4.采用转子电流控制器的功率调节

如图3-19所示，并网后，控制系统切换至状态B（发电机并网状态），由于发电机内安装了RCC控制器，发电机转差率可在一定范围内调整，发电机转速可变。因此，在状态B中增加了转速控制环节，当风速低于额定风速时，速度控制环节B根据转速给定值（高出同步转速的3%～4%）和风速，给出一个节距角，此时发电机输出功率小于最大功率给定值，功率控制环节根据功率反馈值，给出转子电流最大值，转子电流控制环节将发电机转差率调至最小，发电机转速高出同步转速1%，与转速给定值存在一定的差值，反馈回速度控制环节B，速度控制环节B根据该差值，调整桨叶节距参考值，变桨距机构将桨叶节距角保持在零度附近，优化叶尖速比；当风速高于额定风速时，发电机输出功率上升到额定功率，当风轮吸收的风能高于发电机输出功率时，发电机转速上升，速度控制环节B的输出值变化，反馈信号与参考值比较后又给出新的节距参考值，使得叶片攻角发生改变，减少风轮能量的吸入，将发电机输出功率保持在额定值上；功率控制环节根据功率反馈值和速度反馈值，改变转子电流给定值，转子电流控制器根据该值，调节发电机转差率，使发电机转速发生变化，以保证发电机输出功率的稳定。

如果风速仅为瞬时上升，由于变桨距机构的动作滞后，发电机转速上升后，叶片攻角尚未变化，风速下降，发电机输出功率下降，功率控制单元将使RCC控制单元减小发电机转差率，使得发电机转速下降。在发电机转速上升或下降的过程中，转子的电流保持不变，发电机输出的功率也保持不变。如果风速持续增加，发电机转速持续上升，转速控制器将使变桨距机构动作，改变叶片攻角，使得发电机在额定功率状态下运行。风速下降时，原理与风速上升时相同，但动作方向相反。由于转子电流控制器的动作时间在毫秒级以下，变桨距机构的动作时间以秒计，因此在短暂的风速变化时，仅仅依靠转子电流控制器的控制作用就可保持发电机功率的稳定输出，减少对电网的不良影响；同时也可降低变桨距机构的动作频率，延长变桨距机构的使用寿命。

5.转子电流控制器在实际应用中的效果

由于自然界风速处于不断的变化中，较短时间3～4s内的风速上升或下降总是不断地发生，因此变桨距机构也在不断地动作。在转子电流控制器的作用下，其桨距实际变化情况如图3-26所示。

图3-26　变桨距风力发电机组在额定风速以上运行时节距角、转速与功率曲线

从图3-26可以看出，RCC控制单元有效地减少了变桨距机构的动作频率及动作幅度，使得发电机的输出功率保持平衡，实现了变桨距风力发电机组在额定风速以上的额定功率输出，有效地减少了风力发电机组因风速的变化而造成的对电网的不良影响。