直驱式永磁同步风力发电机最大功率跟踪的基本控制方法一、最大风能捕获控制的基本原理
风能作用在风轮上，风能只有一部分可以被风轮吸收。

风力机从风能中捕获的功率P
w
可表示为
式中P
w
——风力机从风能中捕获的风功率；
ρ——空气密度；
A——风力机扫风面积；
v——风速；
C p ——风力机的风能利用系数。

在桨距角一定的情况下，C
p
是叶尖速比λ的
函数，λ为
式中ω
w
——风力机机械角速度；
R
tur
——风轮半径；
v——风速。

在实际应用中常用风能利用系数C
p
对叶尖速比λ的变化曲线表示该风轮的空气动力特性，如图7-4和图7-5所示。

图7-4 风轮气动特性（C
p-
λ）曲线
图7-5 永磁同步发电机不同转速从短路状态到开路状态的全特性曲线
时就可以获得最大风能利当桨距角一定时，风力机运行于最佳叶尖速比λ
opt
，此时风力机的转换效率最高，即
用系数C
pmax
式中ω
——风力机的最优机械角速度；
opt
λ
——最佳叶尖速比。

opt
成比例调节，以保持λ总在最优。

上式要求风轮机组的转速ω可以随风速v
1
在直驱式永磁同步风力发电系统中，风力发电机与风力机直接相连，风力发电机组的动态特性可以用一个简单的数学模型描述为
——风力发电机组的转动惯量；
式中J
tur
——风力机的气动转矩；
T
tur
T
——风力发电机电磁转矩。

em
为
风力机气动转矩T
tur
其中
式中ρ——空气密度；
β——桨距角；
C
T
——风力机转矩系数；
C
p
——风能利用系数。

稳态时，当风力机运行在一个最佳叶尖速比λ
opt 时，有一个最佳功率系数C
popt
与之对应，且转矩系数C
T =C
popt
/λ
opt
=C
Topt
也为常数，此时捕获的风能为最大，为
式中S——风轮扫风面积。

稳态时，当忽略摩擦阻力转矩，发电机的电磁转矩应该与风力机气动转矩相等，即
式（7-7）是在稳态条件下推导出来的发电机电磁转矩与转速之间的关系，它可以作为用于控制电机转矩的给定值，是发电机转速的函数。

即当风速在额定风速以下时，发电机的电磁转矩按照式（7-12）的关系控制，整个系统就能够实现最大风能的捕获，这就是额定风速以下最大风能捕获的基本原理。

因此，对于某一特定风速，风力发电机应在一个特定的转速下运行才能实现对风能的最大捕获。

在一定风速下，风力发电机的功率曲线上有一最优转速和最大功率点，将不同风速下的最大功率点连接起来可得到最佳功率曲线。

实现最大风能跟踪的要求是在风速变化时及时调整风力发电机转速，使其始终保持最佳叶尖速比运行，从而保证系统运行于最佳功率曲线上。

对风力机转速的控制可通过风力机变桨调节，也可通过控制发电机输出功率进行调节。

二最大风能捕获控制的基本策略
实现最大风能捕获的关键是提高风能利用系数。

这就需要根据风速的变化及时调整风力机的转速，时刻保持叶尖速比为最佳值，实现风力发电机组在变速运行时的最大风能捕获。

目前最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的控制策略已经被广泛应用。

根据各种不同MPPT控制策略的特点，把它们划分为以下三种。

1.最佳叶尖速比控制
最佳叶尖速比（Tip Speed Ratio）控制是指随着风速的变化及时调整风力发电机的转速，控制叶尖速比时刻为最佳值。

这种控制方法是实现MTTP最直接的方法，而且计算也十分简单。

但它的缺点是要实时、准确地测量风速和发电机的转速，这就必须要用到转子位置传感器和风速传感器，这些器件不仅增加整个系统的成本，而且也影响系统的稳定性。

2.功率信号回馈控制
功率信号回馈控制策略首先要建立整个风力发电系统在不同风速下的最大功率曲线（常用的是最大输出功率与发电机转速的曲线），然后用所得曲线为参考，在实际运行中根据发电机转速对应找出上述曲线中的最大功率值，并以此对发电机功率进行调节，使发电机运行在最大功率曲线上。

这种控制策略与最佳叶尖速比控制策略相比无需测量实时风速，省去了风速传感器，降低了系统的成本。

但它最大的缺陷在于，由于实际运行情况非常复杂，而根据以往经验绘制最大功率曲线又不能进行实时的修正，因此精准度一般。

3.爬山搜寻控制
根据前两种方法的不足，学者们提出了爬山搜寻控制算法。

这种控制算法无需知道当前的风速，也不用测试不同风速下整个系统的运行特性，只要将一个很小的转速扰动施加到当前稳定的系统，然后根据输出功率的变化情况，通过建立数学最优化模型搜寻出发电机的最佳转速点，以此来调节发电机转速，使输出功率始终在最大功率点附近。

三、发电机转矩给定
在系统中可以通过全功率变流器调节送向电网的功率，利用转速转矩关系控制发电机的转矩给定值，这个转矩给定值是发电机转速的函数，在大多数情况下，这是在额定风速时控制发电机转矩的最好方法。

变速的直驱式永磁同步风力发电
值，应用平方算法可以得到平滑稳定机组在额定风速以下时，为了跟踪最大C
p
的控制。

然而风速变化较快时，由于风轮的转动惯量较大，阻碍转速快速变化，
曲线的峰值上。

另使其不可能跟上风速的变化，所以机组并不一定能工作在C
p
外机组也不宜过快地加减速度，所以大型风力机的风轮气动特性（C
λ）曲线顶
p-
部应该设计得平一些、宽一些。

目前通常多用PI调节器进行λ
的最大功率跟踪。

调节器的增益越高，跟
opt
踪越快，但是会使功率波动太大。

一般来说风力发电机组上的风速传感器不能反映风轮上的真正风速，而永磁同步发电机是一个极好的风速传感器，而且有相应的功率转速以及电压的三维关系曲线（图7-2），风力发电机组工作过程中不难判定工作点的位置。

通过风轮和永磁同步发电机的特性曲线，可以测量风轮前方风速，从而估算出相应工作点，判断叶尖速比λ在高端还是低端，然后通过变流器控制上网功率，进而控制发电机转矩，使其尽快达到所需转速。