文 献 综 述
摘要：风力发电机组有功控制是风电场有功控制过程中的重要环节之一，随着风电机组控制策略的研究范围不断扩大，控制技术也逐渐多样且成熟。本文主要对风电机组有功控制相关文献作出简要性概括，对其论述的控制策略进行分析和评价。总结风机的变速控制、变桨距控制以及变速变桨协调控制策略，进行分析比较。
关键词：风力发电；有功控制；变速控制；变桨距控制
- 引言
随着化石燃料的日益减少以及人们环保意识的日益增强，世界各国都将开发和利用绿色可再生能源作为其可持续发展战略的重要组成部分，新能源的利用也愈发广泛。其中，风能是相较于太阳能、生物质能等更为经济可行的可再生能源，也因其政策和技术上的优势，成为了可再生能源发电中发展最为迅速的技术之一[1]-[4]。
由于风速的随机性和间歇性，以及网源建设间的矛盾，风场弃风限电现象越来越严重[5]。同时，随着风电场大量并入电网，输出功率的波动往往会导致电网频率的波动，影响电能质量，严重时还会造成电网的不稳定。因此，为确保电力系统的稳定运行，一方面需要对风电机组直接输出的有功功率进行平滑控制，降低其频繁的波动对系统频率的影响；另一方面，随着风电渗透率的提高，传统的调频控制策略难以维持系统的频率稳定，需要做出进一步的改进。
目前，对于含风电电力系统的有功及频率控制的研究工作可以分为两类，一是从电网角度出发，此类研究已较为成熟，有大量的文献对含风电场电力系统调度问题进行了研究，包括含风电场电力系统的有功优化潮流计算、风电系统发电计划修改的方法、经济调度模型及优化算法等[6]；二是从风电场自身出发，包括风电场侧和风力发电机侧两大方面。在风电场有功功率控制研究中，文献[7]基于经典优先顺序法提出了一种应用于变速恒频风电场的限出力有功控制策略，以实现最大风能利用、避免风电场频繁起停。文献[8]提出了考虑储能的风电场有功控制3层模型。文献[9]设计了风电场自动发电系统有功控制器，将整体控制目标均摊到各台风机。文献[10]提出了一种满足海岛和偏远地区用户需求的独立风柴储生物质微电网系统解决方案,以替代现有的柴油供电系统。在风力发电机组的控制策略方面，文献[11]针对变速定桨风力发电机组，提出一种统一的全风速范围功率控制策略,该控制策略首先通过扰动观察最大功率跟踪控制方法找出机组的最佳功率运行关系，然后根据得出的最佳功率关系对机组实施功率反馈最大功率跟踪控制以提高跟踪速度。文献[12]提出了一种蚁群PID变桨控制器，利用蚁群算法的寻优特性来优化PID参数，使得恒功率变桨控制系统更具自适应性和鲁棒性。文献[13]-[15]主要涉及变速变桨协调控制的不同方法。其中，[13]根据Bladed提供的接口设计控制策略，结合C 语言编制控制算法，对功率进行控制;[14]基于奇异摄动理论和逆系统方法设计了一种非线性桨距角鲁棒控制器以实现风电系统的功率水平控制。文献[15]在综合分析全风速限功率控制特性基础上，提出一种主动变速和桨距角控制相结合的新型限功率控制策略(novel wind power curtailment control，N-WPCC)，与传统限功率控制相比，N-WPCC优先进行电磁转矩控制，再进行桨距角控制，能有效减少变桨系统的动作频率和动作幅度，提高变桨系统的使用寿命，并能充分利用机组转动惯量，在一定程度上提高发电量。同时，N-WPCC的控制输入为机组输出功率和电机转速，不需要可靠性不高的现场实时测风数据。
- 风机有功功率控制
- 变速控制
变速控制是一种直接控制方法，变速控制是通过主动改变发电机的转速，进而改变叶尖速比，通过叶尖速比和输出功率之间对应的函数关系来间接控制发电机有功功率的输出。风力机的功率曲线由风机生产厂家制定，在输出的有功功率偏离功率曲线上对应值的条件下采用变速控制时达到输出功率平滑的目的[16]。与恒速运行相比较，风电机组的变速运行主要有以下优点[17]：①风轮的转速随风速变化并保持一个恒定的最优叶尖速比，使风能利用系数在额定风速以下的整个运行风速范围内都处于最大值，可比恒速运行获取更多的能量；②利用风轮的转动惯量和转速变化可以存储变化的风能，减小机械应力；③降低风轮在低速运行时的噪声。而变速控制的缺陷在于风能利用率低，且会使发电机组的运行偏离最优转速，导致系统不稳定。
- 变桨距控制
变桨距是指借助控制技术，通过改变安装在轮毂上叶片的桨距角的大小来改变叶片气动特性，改善桨叶和整机的受力状况，从而在高风速时使输出功率趋于平稳。目前，变速风力机组的变桨距控制方式主要有两种:统一变桨距控制和独立变桨距控制。
统一变桨距控制是指风力机风轮的叶片按照一定的角度安装在轮毅上，变桨距控制系统对每片叶片桨距角的调节角度保持一致。这种控制方法的优点在于控制操作过程简单，工程上比较容易实现。缺点是随着风轮直径的不断增大，由于塔影效应和风切变等因素引起的附加载荷增大，严重影响风电机组的安全稳定运行，缩小机组使用寿命[18]。独立变桨距控制技术对风机桨叶进行单独控制，独立进行桨距角调节，每个叶片的桨距角变化不一致。独立变桨距控制的优点是可以有效降低不平衡载荷，稳定发电机输出额定功率值，井且可以提高机组的耐疲劳寿命。缺点是控制系统实现起来比统一变桨距复杂，增加工程量[16]。
- 变速变桨协调控制策略
常见的变桨变速风力发电机控制策略是：在额定风速以下，保持风力机桨距角不变，通过改变电机转速使风力机运行在最佳叶尖速比下来实现最大风能跟踪控制；在额定风速以上，使转速维持在额定转速附近，通过调节桨距角使发电机组输出额定功率。相比于单独的控制策略，变速变桨协调控制使得机组的输出功率更加平滑，控制效果更佳。
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