杜海鹏
哈尔滨地铁集团有限公司，黑龙江省哈尔滨市，150000
摘要：传统风力发电机组并网运行时，局部负荷区的所有控制都是通过电力电子装置，直接控制发电机的运行状态来实现的。而在液压型风力发电机组中，由于使用的是励磁同步发电机，其无功是通过调节发电机端的电压控制的，由发电机自带的控制器完成，即不能通过外部控制器改变励磁同步发电机的内部运行状态；而其有功则是通过调节发电机的转速来控制的，故在并网运行时，液压型风力发电机组较传统机型的控制不同，即只能通过控制液压传动系统中变量马达的斜盘位置来实现转速和功率控制，因此，液压型风力发电机组最佳功率追踪控制方法不同于传统机型。
关键词：风力发电机；最优功率；追踪控制
1直接发电功率控制的最佳功率追踪方法
风电机组最佳功率追踪的实质，既可以看成是对风力机转速的主动控制问题，也可以看成是对机组发电功率的主动控制问题，因此，可以尝试通过直接控制机组的发电功率来实现最佳功率追踪控制。在直接发电功率控制的最佳功率追踪方法中，以发电功率为控制目标，在功率调整的过程中通过系统的压力改变作用在定量泵主轴上的负载力矩，从而间接控制定量泵(风力机)的转速。
在直接发电功率控制的最佳功率追踪方法中，系统主要包括三个控制环，即斜盘的位置基准控制环、马达的转速控制环和发电功率控制环。三个控制环中，斜盘的位置基准控制环是由检测的泵的转速根据“流量匹配”的原理计算得出的，其作用是初步控制马达工作在同步转速附近；马达的转速控制环是由1500r/min的同步转速与马达的实际转速比较后的偏差，经控制器调整形成的马达斜盘微调量，其作用是控制变量，马达精确工作在同步转速，实现准同期并网；而发电功率控制环，则是由检测的泵的转速根据最佳叶尖速比opt和最大风能利用系数Cpmax计算出的最佳发电功率Pmax作为参考值，并与检测的实际发电功率P进行比较，形成偏差并经控制器调整形成斜盘位置的补偿量，对发电功率进行控制，其控制框图如图所示。
直接发电功率控制的最佳功率追踪方法其追踪过程如下：
假设风速V1<V2<V3，E、A、B三点分别为三种风速下的最佳功率点，风速初始时为V2，风电机组初始时稳定工作在V2风速时的最佳功率点A点。
当风速由V2增大为V3时，由于风力机转速不可能突变，故此时风力机输入功率为C点对应功率PC，而发电功率给定值为A点对应的功率P2；由于在B点之前风力机输入功率始终大于发电功率给定值，因此风力机将加速，且随着风力机转速的增加，风力机输入功率沿着V3风速时的P曲线由C点运动到最佳功率点B点，而实际发电功率则沿着发电功率给定值(Popt曲线)由A点运动到最佳功率点B点，并且在B点风力机输入功率等于发电功率给定值，系统重新达到平衡，此时即完成了风速由V2增大为V3时的最佳功率追踪过程。
同理，当风速由V2减小为V1时，由于风力机转速不可能突变，故此时风力机输入功率为D点对应功率PD，而发电功率给定值为A点对应的功率P2；由于在E点之前风力机输入功率始终小于发电功率给定值，因此风力机将减速，且随着风力机转速的较小，风力机输入功率沿着V1风速时的P曲线由D点运动到最佳功率点E点，而实际发电功率则沿着发电功率给定值(Popt曲线)由A点运动到最佳功率点E点，并且在E点风力机输入功率等于发电功率给定值，系统重新达到平衡，此时即完成了风速由V2减小为V1时的最佳功率追踪过程。
直接发电功率控制的最佳功率追踪方法能够使风电机组自动地追踪最佳功率点，当忽略风电机组效率的影响时，理论上是一种较好的最佳功率追踪方法。
上述直接发电功率控制的最佳功率追踪方法理论上虽然可行，但该方法在分析时没有考虑到效率的影响，即认为风电机组把风力机吸收的风能100%的转化为了电能，这显然分析得不够全面，因此有必要分析效率对该最佳功率追踪方法的影响。
2发电功率和风力机转速联合控制的最佳功率追踪方法
采用直接发电功率控制的最佳功率追踪方法，系统最终追踪到的功率点向左偏离了最佳功率点，即风力机最终不是稳定在最佳转速上。机组并网运行时斜盘位置的变化和定量泵转速的变化都会引起发电功率的变化，因此可考虑在直接发电功率控制的基础上加上风力机转速控制闭环，使风电机组在功率追踪的过程中，发电功率和风力机转速都得以控制，最终使风电机组最佳功率追踪完成时，稳定在最佳转速对应的风力机输入的最大可利用功率点，即最佳发电功率点。
基于上述分析，本文又提出了发电功率和风力机转速联合控制的最佳功率追踪方法，该方法同时兼顾了风力机转速(泵转速)和发电功率的控制。
在这种最佳功率追踪方法中，风电机组主要包括f控制环，即斜盘的位置基准控制环、马达的转速控制环、风力机的转速控制环和发电功率控制环。在四个控制环中，斜盘的位置控制环、马达的转速控制环和发电功率控制环的构成及作用与前面介绍的相同，而泵转速控制环则是由检测的风速V根据最佳叶尖速比opt计算的最佳泵转速opt作为参考值，并与检测的实际泵转速进行比较，形成偏差并经风力机转速控制器调整，形成斜盘位置的补偿量，对泵转速进行控制，其作用是根据风速的变化实时控制风力机工作在最佳转速。采用这种方法，同时对风力机转速和发电功率进行控制，既能精确地控制风力机的转速，又能快速地完成最佳功率追踪过程，从而避免了直接发电功率控制的最佳功率追踪方法的不足之处。
该最佳功率追踪方法在并网之前，也是先通过斜盘位置基准控制环和马达转速环，控制马达转速实现发电机的准同期并网；并网完成后，即可投入泵转速控制环和功率控制环，共同进行最佳功率追踪控制。
3直接压力控制的最佳功率追踪方法
由于液压型风力发电机组工作时液压主传动系统中只有变量马达斜盘位置是可控量，故所有的最佳功率追踪方法最终都是通过控制斜盘位置来实现的，而斜盘的位置变化引起系统的压力变化，系统的压力既是功率响应的中间变量，又是风力机转速(泵转速)调节的直接作用量，因此，也可以通过直接控制系统的压力来进行最佳功率追踪控制。
直接压力控制的最佳功率追踪方法与直接发电功率控制的最佳功率追踪方法类似，只是利用的是风力机输出特性曲线中的转矩曲线。在这种最佳功率追踪方法中，也主要包括三个控制环，即斜盘的位置控制环、马达的转速控制环和系统的压力控制环。在三个控制环中，系统的压力控制环则是根据检测的风力机转速(泵转速)计算系统的最佳压力给定值phopt，与检测的实际压力值进行比较，形成偏差并经控制器调整，形成斜盘位置的微调量，从而精确地控制系统的压力，快速地实现最佳功率追踪控制。
4结语
通过对液压型风力发电机组功率控制的理论分析，提出了四种液压型风力发电机组的最佳功率追踪控制方法，即直接发电功率控制的最佳功率追踪方法、发电功率和风力机转速联合控制的最佳功率追踪方法、直接压力控制的最佳功率追踪方法及系统压力和风力机转速联合控制的最佳功率追踪方法，并从理论上分析了每一种控制方法的特点。
参考文献
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[2]StieblerM.风力发电系统[M].倪玮、许光，译.北京：机械工业出版社，2011：135-137.
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