２００６年第ｌ２期（总第１０８期） ・ 应用能源技术 ２ｌ
变速恒频风力发电机组控制策略分析
李晓斌
（武汉数字工程研究所）
摘要：通过分析变速恒频风力发电机组运行工况。构建低于额定风速时的转速控制环和
高于额定风速时的功率控制环。转速控制环和功率控制环二者独立工作，很好满足了机组对系
统控制功能的要求，仿真结果表明该控制策略可行。
关键词：变速恒频；风力发电；控制仿真
中图分类号：ＴＫ８９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—３２３ｏ（２０ｏ６）１２—００２１—０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ＶＳＣＦ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｓｅｔ
ＬＩ Ｘｉａｏ．．ｂｉｎ
（Ｗｕｈａｎ ｖｉｏｔ￣ｂｌｇｊ啦盯 Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ，４３００７４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｔａｔｕｓ；ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｌｏｏｐ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｐ ａｒｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ａｃｃｃ ｔｏ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ，Ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｐ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｌｏｏｐ ｔａｋｅ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ，ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｉ￣ｍ，ｌａｔｅｄ ｂｙ ＭＡＴＬＡＢ ａｎｄ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＶＳＣＦ；ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｒｍｄａｔｉｏｎ
０ 引言
随着一次能源的日趋减少，全球环境危机增
加。许多国家开始重视可再生能源的研究和发展。
而风电在可再生能源中最成熟，最具商业价值，各
种风电机型相继问世。其中以变速恒频风力发电
机组最有代表性。变速恒频风力发电机组通过改
变变桨角度来调节风力机转速，通过调节转子绕
组励磁电流来调节发电机的有功和无功，从而保
证发电机电能达到并网要求。
变速恒频风力发电机通常有待机，正常运行，
停机和紧急停机等工况。正常运行工况下，转速
伴随风速的变化而变化，在发电机功率达到额定
功率后。通过调整叶片变桨角，控制发电机功率恒
定；停机工况下，通过变桨制动将转子转速减至待
机转速。实现零功率脱网；紧急停机工况下，通过
收稿日期：２ＯＯ６—１１—２６ 修订稿日期：２ＯＯ６—１１—３０
作者简介：李晓斌（１９７３一）．男，硕士，现从事制造业信息化
和自动化研究。
变桨制动和机械制动同时作用，迅速将转子转速
减至安全停机转速，保障机组安全。不同工况下，
机组控制目标和控制策略都不同，本文主要分析
正常运行工况下的控制策略。
变桨距风力发电机组在额定功率点上的调节
不完成依靠叶片本身的失速性能，而是靠改变节
桨角来调节，因此在额定功率点上其输出功率保
持不变。其功率曲线见图ｌ所示。
功
盘
０ ５ １０ １５ ２０ ２５
风速（ｍ／ｓ）
图１风速一功率曲线
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２２ 应用能源技术． ２００６年第１２期（总第１０８期）
对变桨距风力发电机组，其风力机特性曲线
通常由一簇风能利用系数 曲线来表示。
ｃｐ＝八 。８ ＝∞Ｒ｜Ｖ
：
表示叶尖速比
叫：
表示风轮转速
Ｒ：表示风轮半径
：
表示风速
：
表示桨叶节距角
风力机功率：Ｐ＝Ｃ￣ＳｐＩ，￣１２
因此在额定风速以下，风机功率还未达到额
定功率时，风力发电机进入恒 状态，变桨距风 力发电机组控制功能就是调节转子转速保证在风 速变化时入恒定在Ｘｏｐｔ，从而使ｃ 值稳定在最大 值，风力机从风中获取最大风能；当风速达到额定 风速，风机功率还未达到额定功率时，风力发电机 进入欠功率状态，变桨距风力发电机组控制功能 就是调节转子转速保证转子转速恒定，不超过转 子极限转速；当风速继续增大达到或超过额定风 速后，风力发电机进入恒功率状态。变桨距风力 发电机组可通过调节变桨角和转子电流使输出功 率稳定在额定功率。 １低于额定风速时的转速控制 １．１转速控制 低于额定风速时，当风速增大时，为使 值 稳定在最大值，就必须调节转子转速，使之与变化 的风速对应，保证风力机能获取最大风能。 １．２控制策略分析 对转速的控制是通过对发电机转矩的控制来 实现的。如何实现最佳转矩———转速曲线跟踪，采 取两种控制策略，一种是“间接速度控制”，另一种
是“直接速度控制”。直接速度控制是将任一给定
时刻所需要的最佳发电机转速设置为风速的函数，
根据测量的风速，推算出发电机所需的最佳转速，
而实际上由于风速的不确定性及湍流等影响，把测
量的风速作为控制量是不准确的，风速只能作为一
个参考值；间接速度控制根据转子转速及最佳
比例系数计算出所需的转矩期望值，以此作为变流
器给定转矩。两种控制方法见图２，图３。
图２间接速度控制框图
图３直接速度控制框图
２高于额定风速时的功率控制
变速恒频风力发电机组一方面通过变速增加
了获取的风能，将更多的风能转换为电能，另一方
面通过变桨限制功率增加，扩大了运行的风速
范围。
２．１功率控制
在风力发电机组处于额定功率时，如风速继
续增加，风力机能量的获取受机组物理性能的限
制，必须控制风轮转速和能量转换低于某个极限
值，保持发电机恒定的功率输出。
２．２控制策略分析
在风速一定的情况下，要改变风力机输出功
率，需要控制风轮的功率系数，有两种功率控制策
略，一是控制发电机的电磁力矩，通过改变电磁力
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２００６年第ｌ２期（总第１０８期） ． 应用能源技术
矩来改变风轮转速，调节风轮的叶尖速比；其次是 改变桨叶节距角以改变空气动力转矩。通过控制 ● 发电机电磁力矩，虽然通过改变叶尖速比减小了 风力机的输入功率，但风力发电机组传动系统载
荷增加，调节范围窄，影响机组寿命。采用变桨基
本控制方法见图４。
图４功率控制框图
３ 仿真
假定双馈电机的同步转速为１５０Ｏｆ／ｒａｉｎ，切入
风速为３ｍ／ｓ，额定风速为１２ｍ／ｓ，切出风速为
２５ｍ／ｓ，叶轮半径为４０ｍ，空气密度为１．１６Ｓｋｇ／ｍ￣，
额定功率为１５００ｋＷ。在变化的风速下，应用Ｍａｔ—
ｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对整个系统的仿真，结果如下。
图５表示发电机转速随风速的变化而变化过程，
可见实现了很好的风速跟踪；图６表示发电机输
出功率随输入机械功率的变化而变化的过程，通
过变桨实现了恒功率输出。
图５风力机风速和转速
图６输人功率和输出功率
４结论
变速恒频风力发电能够通过转子转速的调节
实现速度控制来保证最大风能的捕获，通过变桨
控制来实现发电机组恒功率输出。系统能够充分
利用风能，保持最佳工况，极大地克服了传统恒速
恒频发电系统的不足。
参考文献
［１］ 叶杭冶．风力发电机组控制技术［Ｍ］．１版．北京：机
械工业出版社，２００２（６）．
［２］ 王志华，李亚西．变速恒频风力发电机最大功率跟踪控
制策略的研究［Ｊ］．可再生能源，２ＯＯ５，２（１扣）：１６—１９．
［３］刘其辉，贺益康．变速恒频风力发电机空裁并网控
制［Ｊ］．中国电机工程学报，２０Ｏ４，３（２４）：６—１１．
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