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摘要：风力发电是一种新型的绿色能源，正逐渐成为世界各国争相开发的新技术能源。近几年来，随着科学技术的进步，变速双馈风力发电技术在风力发电中得到广泛应用。该技术能够最大限度地捕获风能，同时还能够实现发电机组与电网之间的柔性联接，提高风力发电系统运行的动静态稳定性。针对双馈风力机捕获最大风能的工作原理进行简单阐述，重点讨论双馈风力发电机组的控制策略，最后通过系统仿真验证双馈发电机的运行性能。
关键词：双馈风力发电系统；风能控制；优化策略
作者简介：于水（1981-），男，北京人，中国电能成套设备有限公司，工程师。（北京 100080）
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）29-0233-02
近几年来，随着国际工业化进程的加快，全球气候逐渐变暖，环境污染日益严重，支撑工业化进程的常规能源面临枯竭的危险。因此，利用可再生的风能进行发电能够有效延缓煤炭以及石油、天然气等常规能源的枯竭。
双馈恒频发电是20世纪末发展起来的一种新型发电模式，主要是电子技术以及矢量变换控制技术、微机信息处理技术在发电技术中的综合应用。到目前为止，[1]为提高双馈风力发电机组的工作效率，在控制方法上主要有爬山法、功率信号反馈控制以及叶尖速比等方法。然而，上述几种方法几乎都忽略了双馈发电机组本身的效率。也就是说，即使风机能够捕获到比较大的风能，但是发电系统对电网输出的有功功率还是会随着电机效率的不同而出现差异。因此，本文在风机如何捕获最大风能的基础上提出了双馈风力发电机组的风能控制策略。
一、双馈风力机捕获最大风能的工作原理
根据贝茨原理，[2]风力发电机的吸收机械功率和启动转矩为：
Pr=Cp（β，λ）ρπR2V3w
Tm=CT（β，λ）ρπR3V2W
在贝茨原理中，极限值为59.3%，其中VW为风速，R为叶轮半径，Pr为叶轮吸收的机械功率，Tm是叶轮的启动转矩，Cp是风力机的功率系数，CT是启动转矩系数。根据上面两个公式能够看出，在风机的运行过程中，除叶轮本身的直径及功率系数和启动转矩系数外，叶轮吸收的机械功率以及启动转矩受风速的影响比较大。[3]
图1为不同风速下风机的输出功率特殊曲线图，其中Wm是叶轮的角速度，从图中能够看出，在相同风速下不同的转速会使叶轮输出的功率大不相同。因此，要想实现最大的风能追踪，使风机运行在最佳的功率曲线上就必须在风速变化时根据实际情况调节叶轮转速。然而，在实际风电场中测得准确风速数据有一定难度，因此必须寻找一种不依靠风速的控制方法。
二、双馈风力发电系统的风能控制研究
实现双馈风力发电系统的风能控制研究主要是从控制双馈发电机的直接转矩、模糊逻辑控制、励磁控制以及自适应最优模糊控制这四部分来实现的。
1.自适应最优模糊控制
自适应最优模糊控制主要是用于非线性以及多变量的复杂对象，同时收敛的速度比较快，其原理是在控制的过程中不断调整自己的控制规则来进行修正，然后达到改善控制性能的目的。[4]根据这一控制原理，控制器的设计采用模糊聚类算法进行自适应最优模糊控制。通过自适应最优模糊控制方法能够很好地控制发电机的电磁转矩指令。控制器主要由两部分组成，分别是控制器和辨识器。自适应最优模糊控制作为风力发电机组速度调节的一部分，在速度调节上有着重要作用。首先，使用辨识器将自适应函数靠近到未知的非线性函数中，然后辨识器得到的非线性函数复制到控制器中，实现其风能的最大控制。如图2所示：
2.模糊逻辑控制
模糊逻辑控制原理主要是通过实时改变发电机转速增量，同时检测功率变化来感知风机当前工作点，从而确定新的转速增量，利用这样的搜索，使工作点稳定在当前风速下的功率曲线值左右。[5]进行模糊逻辑控制的输入量是有功功率以及增量、高速转轴以及增量；输出量是发电机在额定风速以下时的参考转速增量，通过参考转速增量从而得到参考转速。输入以及输出量在经过正规的划分以后可以得到7个模糊集，分别为正中、正大、正小；负中、负大、负小；零。利用模糊逻辑控制得到可以控制的参考转速值，从而使风力发电系统在定向的风力下捕获最大的风能。[5]但是，需要注意的是当参考的转速过大时也会相应引起风力机组震荡，遇到这种现象应该适当调整模糊逻辑控制系数，从而获得合适的参考转速值。
3.控制双馈发电机的直接转矩
控制双馈发电机直接转矩的原理主要是利用转子磁链的速度，达到控制发电机的输出功率目的。控制双馈发电机的直接转矩系统有外环以及内环组成，将反馈信号以及转速的参考值进行比较，得到一个偏差；将偏差值输入到速度调节器中就会得到转矩指令信号；将该信号与实际的点刺转矩进行比较，又得到一个偏差值；将该偏差值输入到电压源逆变器中，得到转矩电流分量。这个转矩电流分量能够使风机转速捕获最大的风能。
4.励磁控制
进行励磁控制能够实现双馈发电机转子电流上的变化规律，从而真正保证最大风能以及最小消耗。通过运用转子电流分量的最优数学模型以及励磁控制模型能够设计出双馈风力发电系统最大风能捕获以及转换的控制框图。励磁控制中双馈发电机采用转子电流闭环的形式，首先通过公示计算从而得到最大风能捕获时转子电流的数值，其次通过另一公示计算铜耗的最小运行的转子电流，再次将计算得出的数值与实际测量得到的转子电流反馈值进行比较，将比较得到的偏差输入到电流调节器中，通过电流调节器得到电压的解耦分量以及电压补偿分量，最后利用坐标进行变换得到双馈电子发电机转子的三相电压控制指令。与传统的功率控制相比，励磁控制能够减少无功功率以及有功功率的控制，过程比较简单，从而最大限度控制风能，提高风电系统的工作效率。
三、系统仿真验证双馈发电机运行性能 主要是利用Matlab/Simulink软件对双馈发电机组系统进行仿真实验，[6]在仿真过程中主要是采用了随机风模型，并且在这种情况下，将发电机转速以及电磁转矩的变化仿真出来，通过仿真的结果对控制器的最大风能追踪能力进行验证，得出本文所使用的控制策略均与相关理论相符合，表明能够实现最大风能控制的目的。具体的仿真参数设置如下：风力机：最大风能利用系数为0.29，最佳叶尖速为3.7，叶半径为42m，额定功率为3MW。双馈发电机：额定电量为2MV·A，定子电阻为0.0108pu，定子漏感为0.1202pu，额定电压为710V，定转子互感3.4 pu，转子电阻为0.015pu，转子漏感为0.11pu。风速为：初始风速为每秒9米，额定风速为每秒12米，到第三秒时改为每秒14米。
通过仿真实验能够得出，当第3秒的风速从每秒9米转变为每秒10米时，双馈发电机的转速开始上升，因为惯性的作用，从而使这一速度达到最佳的转速点。发电机的角速度发生变化时能够通过转子电流的频率对定子电流的频率保持恒定，通过这个仿真能够证明发电机在有功或者无功的解耦下实现其最大风能的控制。
四、结束语
要想实现双馈风力最大风能的控制，必须首先了解双馈风力机捕获最大风能的工作原理，因此，本文首先就对其工作原理进行阐述，然后根据其工作原理采取适当的控制对策，主要是从自适应最优模糊控制、模糊控制、励磁控制以及控制双馈发电机的直接转矩这几方面来分析其实现最大风能的控制对策。最后，通过仿真技术及仿真实验得出本文提出的控制双馈发电机的对策均与理论相符合，取得了比较满意的控制效果，从而验证了这些控制策略的有效性以及准确性，能实现最大风能控制，最终提高发电机的工作效率。
参考文献：
[1]刘其辉，贺益康，赵仁德.变速恒频风力发电系统最大风能追踪[J].电力系统自动化，2003，（11）.
[2]张凤阁，金石.变速恒频无刷双馈风力发电机的直接转矩控制[J].太阳能学报，2012，（12）.
[3]姚兴佳，韩嵩崟，赵希梅.变速恒频双馈风力发电机的最大风能追踪控制[J].电气传动，2012，（7）.
[4]YIN Ming，LI Gengyin，ZHOU Ming，et a1.Analysis and Comparison of Dynamic Models for the Doubly Fed Induction Ge nerator Wind Turbine[J].Automation of Electric Power Systems，2006，（13）.
[5]郑雪梅，李琳，徐殿国.双馈风力发电系统最大风能追踪滑模变结构控制[J].控制理论与应用，2010，（7）.
[6]杨之俊，吴红斌，丁明.故障时双馈风力发电系统的控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2010，（1）.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：双馈风力发电系统；风能控制；优化策略
作者简介：于水（1981-），男，北京人，中国电能成套设备有限公司，工程师。（北京 100080）
中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）29-0233-02
近几年来，随着国际工业化进程的加快，全球气候逐渐变暖，环境污染日益严重，支撑工业化进程的常规能源面临枯竭的危险。因此，利用可再生的风能进行发电能够有效延缓煤炭以及石油、天然气等常规能源的枯竭。
双馈恒频发电是20世纪末发展起来的一种新型发电模式，主要是电子技术以及矢量变换控制技术、微机信息处理技术在发电技术中的综合应用。到目前为止，[1]为提高双馈风力发电机组的工作效率，在控制方法上主要有爬山法、功率信号反馈控制以及叶尖速比等方法。然而，上述几种方法几乎都忽略了双馈发电机组本身的效率。也就是说，即使风机能够捕获到比较大的风能，但是发电系统对电网输出的有功功率还是会随着电机效率的不同而出现差异。因此，本文在风机如何捕获最大风能的基础上提出了双馈风力发电机组的风能控制策略。
一、双馈风力机捕获最大风能的工作原理
根据贝茨原理，[2]风力发电机的吸收机械功率和启动转矩为：
Pr=Cp（β，λ）ρπR2V3w
Tm=CT（β，λ）ρπR3V2W
在贝茨原理中，极限值为59.3%，其中VW为风速，R为叶轮半径，Pr为叶轮吸收的机械功率，Tm是叶轮的启动转矩，Cp是风力机的功率系数，CT是启动转矩系数。根据上面两个公式能够看出，在风机的运行过程中，除叶轮本身的直径及功率系数和启动转矩系数外，叶轮吸收的机械功率以及启动转矩受风速的影响比较大。[3]
图1为不同风速下风机的输出功率特殊曲线图，其中Wm是叶轮的角速度，从图中能够看出，在相同风速下不同的转速会使叶轮输出的功率大不相同。因此，要想实现最大的风能追踪，使风机运行在最佳的功率曲线上就必须在风速变化时根据实际情况调节叶轮转速。然而，在实际风电场中测得准确风速数据有一定难度，因此必须寻找一种不依靠风速的控制方法。
二、双馈风力发电系统的风能控制研究
实现双馈风力发电系统的风能控制研究主要是从控制双馈发电机的直接转矩、模糊逻辑控制、励磁控制以及自适应最优模糊控制这四部分来实现的。
1.自适应最优模糊控制
自适应最优模糊控制主要是用于非线性以及多变量的复杂对象，同时收敛的速度比较快，其原理是在控制的过程中不断调整自己的控制规则来进行修正，然后达到改善控制性能的目的。[4]根据这一控制原理，控制器的设计采用模糊聚类算法进行自适应最优模糊控制。通过自适应最优模糊控制方法能够很好地控制发电机的电磁转矩指令。控制器主要由两部分组成，分别是控制器和辨识器。自适应最优模糊控制作为风力发电机组速度调节的一部分，在速度调节上有着重要作用。首先，使用辨识器将自适应函数靠近到未知的非线性函数中，然后辨识器得到的非线性函数复制到控制器中，实现其风能的最大控制。如图2所示：
2.模糊逻辑控制
模糊逻辑控制原理主要是通过实时改变发电机转速增量，同时检测功率变化来感知风机当前工作点，从而确定新的转速增量，利用这样的搜索，使工作点稳定在当前风速下的功率曲线值左右。[5]进行模糊逻辑控制的输入量是有功功率以及增量、高速转轴以及增量；输出量是发电机在额定风速以下时的参考转速增量，通过参考转速增量从而得到参考转速。输入以及输出量在经过正规的划分以后可以得到7个模糊集，分别为正中、正大、正小；负中、负大、负小；零。利用模糊逻辑控制得到可以控制的参考转速值，从而使风力发电系统在定向的风力下捕获最大的风能。[5]但是，需要注意的是当参考的转速过大时也会相应引起风力机组震荡，遇到这种现象应该适当调整模糊逻辑控制系数，从而获得合适的参考转速值。
3.控制双馈发电机的直接转矩
控制双馈发电机直接转矩的原理主要是利用转子磁链的速度，达到控制发电机的输出功率目的。控制双馈发电机的直接转矩系统有外环以及内环组成，将反馈信号以及转速的参考值进行比较，得到一个偏差；将偏差值输入到速度调节器中就会得到转矩指令信号；将该信号与实际的点刺转矩进行比较，又得到一个偏差值；将该偏差值输入到电压源逆变器中，得到转矩电流分量。这个转矩电流分量能够使风机转速捕获最大的风能。
4.励磁控制
进行励磁控制能够实现双馈发电机转子电流上的变化规律，从而真正保证最大风能以及最小消耗。通过运用转子电流分量的最优数学模型以及励磁控制模型能够设计出双馈风力发电系统最大风能捕获以及转换的控制框图。励磁控制中双馈发电机采用转子电流闭环的形式，首先通过公示计算从而得到最大风能捕获时转子电流的数值，其次通过另一公示计算铜耗的最小运行的转子电流，再次将计算得出的数值与实际测量得到的转子电流反馈值进行比较，将比较得到的偏差输入到电流调节器中，通过电流调节器得到电压的解耦分量以及电压补偿分量，最后利用坐标进行变换得到双馈电子发电机转子的三相电压控制指令。与传统的功率控制相比，励磁控制能够减少无功功率以及有功功率的控制，过程比较简单，从而最大限度控制风能，提高风电系统的工作效率。
三、系统仿真验证双馈发电机运行性能 主要是利用Matlab/Simulink软件对双馈发电机组系统进行仿真实验，[6]在仿真过程中主要是采用了随机风模型，并且在这种情况下，将发电机转速以及电磁转矩的变化仿真出来，通过仿真的结果对控制器的最大风能追踪能力进行验证，得出本文所使用的控制策略均与相关理论相符合，表明能够实现最大风能控制的目的。具体的仿真参数设置如下：风力机：最大风能利用系数为0.29，最佳叶尖速为3.7，叶半径为42m，额定功率为3MW。双馈发电机：额定电量为2MV·A，定子电阻为0.0108pu，定子漏感为0.1202pu，额定电压为710V，定转子互感3.4 pu，转子电阻为0.015pu，转子漏感为0.11pu。风速为：初始风速为每秒9米，额定风速为每秒12米，到第三秒时改为每秒14米。
通过仿真实验能够得出，当第3秒的风速从每秒9米转变为每秒10米时，双馈发电机的转速开始上升，因为惯性的作用，从而使这一速度达到最佳的转速点。发电机的角速度发生变化时能够通过转子电流的频率对定子电流的频率保持恒定，通过这个仿真能够证明发电机在有功或者无功的解耦下实现其最大风能的控制。
四、结束语
要想实现双馈风力最大风能的控制，必须首先了解双馈风力机捕获最大风能的工作原理，因此，本文首先就对其工作原理进行阐述，然后根据其工作原理采取适当的控制对策，主要是从自适应最优模糊控制、模糊控制、励磁控制以及控制双馈发电机的直接转矩这几方面来分析其实现最大风能的控制对策。最后，通过仿真技术及仿真实验得出本文提出的控制双馈发电机的对策均与理论相符合，取得了比较满意的控制效果，从而验证了这些控制策略的有效性以及准确性，能实现最大风能控制，最终提高发电机的工作效率。
参考文献：
[1]刘其辉，贺益康，赵仁德.变速恒频风力发电系统最大风能追踪[J].电力系统自动化，2003，（11）.
[2]张凤阁，金石.变速恒频无刷双馈风力发电机的直接转矩控制[J].太阳能学报，2012，（12）.
[3]姚兴佳，韩嵩崟，赵希梅.变速恒频双馈风力发电机的最大风能追踪控制[J].电气传动，2012，（7）.
[4]YIN Ming，LI Gengyin，ZHOU Ming，et a1.Analysis and Comparison of Dynamic Models for the Doubly Fed Induction Ge nerator Wind Turbine[J].Automation of Electric Power Systems，2006，（13）.
[5]郑雪梅，李琳，徐殿国.双馈风力发电系统最大风能追踪滑模变结构控制[J].控制理论与应用，2010，（7）.
[6]杨之俊，吴红斌，丁明.故障时双馈风力发电系统的控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2010，（1）.
（责任编辑：王祝萍）