1.引言
目前，在風(fēng)力發(fā)電中被最廣泛應(yīng)用的風(fēng)力機(jī)是雙饋感應(yīng)型發(fā)電機(jī)，因為它有以下顯著的優(yōu)點：變速發(fā)電，有功功率和無功功率控制，抗機(jī)械應(yīng)力和噪聲，以及能提高電能質(zhì)量。[1]
直到最近，雙饋感應(yīng)型風(fēng)力發(fā)電場一般已經(jīng)向電網(wǎng)提供全部可用電能。風(fēng)力機(jī)已經(jīng)能自動最大程度地捕獲風(fēng)能，而在額定功率因素（0無功功率）運行下沒有超出發(fā)電機(jī)的限制。但是，風(fēng)力機(jī)在特殊情況下與電網(wǎng)脫離，風(fēng)力發(fā)電量會自動下降，特別是處于用電低峰期而此時風(fēng)力又很強(qiáng)大[2]。在這些情況下，系統(tǒng)操作員建議增加風(fēng)力發(fā)電量提高風(fēng)力發(fā)電率以維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中不斷增加已經(jīng)導(dǎo)致常規(guī)發(fā)電廠逐漸被現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電廠取代。因而，電力系統(tǒng)操作員已經(jīng)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電場修訂了并網(wǎng)條件[3—5]，要求一些控制任務(wù)的操作應(yīng)和常規(guī)電廠相同。其中一個控制任務(wù)是發(fā)電量的控制，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率和無功功率。在這種情況下，系統(tǒng)操作員規(guī)定了操作要求，確保風(fēng)力發(fā)電場可靠安全地進(jìn)行電力系統(tǒng)操作。風(fēng)力發(fā)電廠因此需要一個集中控制系統(tǒng)來計算每個風(fēng)力機(jī)的功率范圍（有功功率和無功功率），以調(diào)節(jié)被電力系統(tǒng)操作員接到特定裝置上的風(fēng)力發(fā)電場的發(fā)電量。
大多數(shù)參考文獻(xiàn)[6—10]的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略是基于最佳的經(jīng)濟(jì)開發(fā)環(huán)境下，當(dāng)所有發(fā)電量投入電網(wǎng)時產(chǎn)生最大功率的原理的。在這種情況下，因為大范圍風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組呈現(xiàn)最優(yōu)的功率而沒有超過額定功率，并且有理想的功率因素和發(fā)電電壓。
然而，正如上面所述，按照風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)規(guī)定，目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組同時要求調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。這是考慮到發(fā)電量（和風(fēng)速成有關(guān)）和電網(wǎng)功率需求而制定的。因此，本文重點研究雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。
本文的主要目的是對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在功率調(diào)節(jié)，有功功率調(diào)節(jié)和無功功率調(diào)節(jié)方面進(jìn)行對比研究。。通過將雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組集中到一個有集中控制系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電場去進(jìn)行仿真模擬。此外，本文還會提出一個新穎的控制策略，將會和前面的控制方案進(jìn)行性能比較。
本文結(jié)構(gòu)如下。第2部分描述雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的模型。三種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)在第3部分作解釋。本文應(yīng)用的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型及其控制系統(tǒng)在第4部分通過和雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型的對比包括在Sim電力系統(tǒng)MATLAB/Simulink實驗室里進(jìn)行的對比作了證實。第5部分介紹了風(fēng)力發(fā)電場的控制系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電場調(diào)節(jié)系統(tǒng)操作員所指定的裝置的發(fā)電量時，控制系統(tǒng)計算每個風(fēng)力機(jī)功率范圍。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的這種功能將在第6部分作評價和討論，最后是得出的結(jié)論。
2．雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組
雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由一個繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)經(jīng)過齒輪箱聯(lián)接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子上。繞線式轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)電機(jī)的定子繞組直接和電網(wǎng)側(cè)及雙向功率變換器連接，雙向功率變換器將功率反饋到轉(zhuǎn)子繞組上。功率變換器是兩個背靠背的IGBT橋式共用直流母線連接結(jié)構(gòu)。它起到了將電網(wǎng)頻率和機(jī)械轉(zhuǎn)子頻率隔離作用。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組包括槳距角的控制以限制所抽取的風(fēng)能。圖1顯示了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)。
2.1模型假設(shè)
在本文里，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能已經(jīng)通過文獻(xiàn)廣泛應(yīng)用的模型的模擬。本文重點比較了幾種雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運行進(jìn)行調(diào)功時的控制系統(tǒng)性能。這時，并網(wǎng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的頻率特性在0.1到10HZ之間。因此，基頻模擬（也就是為人知的電機(jī)瞬態(tài)模擬）能夠用來表示動態(tài)響應(yīng)[6]。這種方法，僅僅考慮了電流和電壓的基頻分量，高頻諧波忽略不計。這就允許了使用一個負(fù)載量代替電力系統(tǒng)。此外，一些與發(fā)電機(jī)相關(guān)的方程也被消去，時間常數(shù)小的也被忽略，以能用于較長的時間步。模擬速度被大大地增加。
用一種準(zhǔn)靜態(tài)方法來描述轉(zhuǎn)子。這就意味著在輪轂高度和從風(fēng)能中抽取的機(jī)械能之間假設(shè)是一個代數(shù)關(guān)系式。更為先進(jìn)的方法，比如葉片元脈沖方法，需要詳細(xì)的理解氣體動力學(xué)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片特性[15]。這些數(shù)據(jù)將不經(jīng)常用到，假設(shè)控制和電網(wǎng)相互作用影響有限。
關(guān)于驅(qū)動模型，本文采用最常用的TWO-MASS模型[15]。這種模型里，其中一個模塊是為了解釋低速轉(zhuǎn)軸（包括輪轂和葉片），另外一模塊則為了解釋高速轉(zhuǎn)軸（包括發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子）。
在基頻模擬中，對發(fā)電機(jī)作了以下的假設(shè)。
l 忽略磁飽和。
l 磁通正弦分布
l 忽略除銅耗外的任何損耗
l 定子電壓和電流的基頻分量都是正弦量
此外，在基頻模擬中忽略定子瞬態(tài)，因此感應(yīng)發(fā)電機(jī)的性能可以用一個第三序代替第五序模型。
最后，如往常一樣，對于基頻模擬，不考慮功率變換器內(nèi)在的動態(tài)特性，功率變換器看成是理想的。因此，變換器被看成電壓/電流源，變換器間的恒定直流環(huán)節(jié)電壓則是假設(shè)的[6-14]。
圖1 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)框圖
感應(yīng)發(fā)電機(jī)的5號模型和一個更為復(fù)雜的變換器皆要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在電壓跌落發(fā)生時及故障消除后和電流短路時，都應(yīng)正確運行。因而，這些模型不能實現(xiàn)本文所要的目標(biāo)。
2.2 雙饋風(fēng)力感應(yīng)發(fā)電機(jī)組的模擬
雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可用一個有以下子系統(tǒng)組成的模型來代替：轉(zhuǎn)子，驅(qū)動模塊，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型及其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。
轉(zhuǎn)子模型說明了風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程。這是風(fēng)速、葉尖速比，葉片槳距角共同作用的結(jié)果，如調(diào)節(jié)裝置原理解釋的一樣[15]。
（1）
其中：Pwt是風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子抽取的機(jī)械功率；ρ是空氣密度；A是轉(zhuǎn)盤面積；u是風(fēng)速；Cp是功率系數(shù)。
功率系數(shù)把轉(zhuǎn)子的氣動關(guān)系表示為葉尖速比λ和旋轉(zhuǎn)葉槳距角θ的函數(shù)。葉尖速比定義為葉尖速度和風(fēng)速之比。如下式：
（2）
其中ωr是轉(zhuǎn)速，R是風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑。
當(dāng)葉尖速比為定值，功率系數(shù)最大時從風(fēng)能中抽取的功率達(dá)到最大。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)應(yīng)能確保在大范圍風(fēng)速下功率輸出最大。根據(jù)最優(yōu)功率提取曲線，可給出：
（3）
因為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在高風(fēng)速時輸出功率受額定功率限制，功率速度曲線被截平到額定功率。功率曲線可作為雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的動態(tài)參考。它確保了當(dāng)風(fēng)速低于額定值時風(fēng)能轉(zhuǎn)化最優(yōu)，而風(fēng)速大于額定值時輸出功率保持在額定值。
圖3闡述了等式（1）所表示的空氣動力與機(jī)械功率的關(guān)系，最優(yōu)功率提取曲線根據(jù)等式（3）可得，本文則采用雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率速度控制曲線。
在驅(qū)動模擬部分，應(yīng)用了兩個廣為人知的模型。該建?？捎梢韵路匠瘫硎荆?/p>
（4） （5） （6）
其中：Twt是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Tmec是發(fā)電機(jī)軸的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te是發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；Kmec和是Dmec是機(jī)械耦合的穩(wěn)定系數(shù)和衰減系數(shù)。
發(fā)電系統(tǒng)由感應(yīng)發(fā)電機(jī)和功率轉(zhuǎn)換器組成。如往常，對于功率系統(tǒng)的動態(tài)模擬，用三號模型模擬感應(yīng)發(fā)電機(jī)[16]。該模型被表示成一個d和q分量，處于定子磁通最大的直軸位置，并以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)能對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行有功功率和無功功率的雙重控制。
圖2 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型及其控制系統(tǒng)
圖3 機(jī)械功率、最佳功率提取曲線、功率速度曲線
（7）
（8）
（9） （10）
（11）
其中：u表示電壓；i表示電流；d和q分別表示直軸分量和縱軸分量；s和r表示定子和轉(zhuǎn)子； 和 是感應(yīng)電機(jī)的內(nèi)部電壓分量； 是同步轉(zhuǎn)速。
定子電抗 ，轉(zhuǎn)子暫態(tài)電抗 ，和瞬時開路時間常數(shù) 如下：
其中Rs和Rr分別是定子和轉(zhuǎn)子電阻； 和 分別是定子和轉(zhuǎn)子漏電抗； 是勵磁電抗。
雙向功率變換器和轉(zhuǎn)子繞組相連，由兩個共用同一直流母線的變換器連接而成[1，17]。本文中，變換器是理想的，并且連接兩變換器的直流電壓恒定不變，和一般用于電力系統(tǒng)模擬中的情況一樣。
轉(zhuǎn)子側(cè)的變換器驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以使當(dāng)風(fēng)速低于額定值時電能效率最佳，而當(dāng)風(fēng)速大于額定值時輸出功率限制在額定值；或當(dāng)需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時進(jìn)行有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。變換器通過改變轉(zhuǎn)子電流分量來控制有功功率和無功功率。因此，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制可通過調(diào)節(jié)施加在轉(zhuǎn)子上的電壓分量來進(jìn)行。[1，9，17]。變換器可看成是個電流控制型的電壓源。接下來部分將對控制變換器的不同方法進(jìn)行介紹。
電源側(cè)變流器將功率從轉(zhuǎn)子回路傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，且一般情況下以額定功率因素運行。這樣，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)定子繞組只向電網(wǎng)傳遞有功功率。這樣的變流器被看成是受控電流源，電流源的橫軸分量和縱軸分量由從變換器傳到電網(wǎng)的功率交換計算出來。
關(guān)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型的更詳細(xì)介紹可參考[18]。
雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過定子和轉(zhuǎn)子繞組向電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率可由以下的方程計算[1]：
其中：Pr是轉(zhuǎn)子功率；Ps是定子功率；Pm是機(jī)械功率；s是轉(zhuǎn)差率。
本文所討論的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的有功功率可得圖4的功率速度曲線。通過曲線還可以觀察到經(jīng)定子和轉(zhuǎn)子繞組向電網(wǎng)傳遞的有功功率容量。
但是，向電網(wǎng)傳遞的無功功率受到變流器電抗的限制。變流器電抗是能限制轉(zhuǎn)子電流以避免變換器、滑環(huán)和電刷過熱[7]。定子無功功率最小值 取決于定子有功功率 ，定子電壓 ，和最大轉(zhuǎn)子電流 [7]：
其中：Xs是定子電抗；Xm是感應(yīng)發(fā)電機(jī)的勵磁電抗。
等式（17）解釋了從電網(wǎng)獲得最大無功功率的情況。圖5闡述了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和無窮大電源連接運行時的有功和無功區(qū)域Q-P。
圖4 機(jī)械功率、定子功率、轉(zhuǎn)子功率相對于轉(zhuǎn)速的函數(shù)
圖5 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和無窮大電網(wǎng)連接時的運行區(qū)域
3．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)
雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)有如下任務(wù)：
l 在大范圍風(fēng)速下獲取最大的功率（也就是功率最優(yōu)）
l 在高風(fēng)速情況下限制輸出功率為額定值（功率限制）
l 當(dāng)電力系統(tǒng)操作員向特定裝置調(diào)度風(fēng)電場發(fā)電量時，可根據(jù)風(fēng)電場控制系統(tǒng)的整定值調(diào)節(jié)有功功率和無功功率（功率調(diào)節(jié)）。
l 在雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，功率控制通過控制變換器和葉片槳距角實現(xiàn)。因此，為了提高效率，功率變換器必須和葉片槳距角一起控制操作。如上述，通過施加轉(zhuǎn)子電壓橫軸分量和縱軸分量控制變換器，以實現(xiàn)有功功率和無功功率的同時控制。但是，雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要控制葉片槳距角，在高風(fēng)速時限制風(fēng)能抽取功率（功率限制），或者要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電少于可用量時進(jìn)行調(diào)整（低功率調(diào)節(jié)）。
因此，控制變量是轉(zhuǎn)子電壓和葉片槳距角。這樣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)可由每個控制變量的控制元件組成。兩種不同的控制方案在已有的文獻(xiàn)［11-14］有說明。方法1見文獻(xiàn)[11]，槳距角控制有功功率，轉(zhuǎn)子電流縱軸分量控制轉(zhuǎn)速，橫軸分量控制無功功率。方法2，用于文獻(xiàn)[12-14]，轉(zhuǎn)子電壓縱軸分量控制有功功率，橫軸分量控制無功功率，葉片槳距角控制轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[14]中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也包括功率補(bǔ)償?shù)目刂品桨?，本文沒有采用。
本文的目標(biāo)是對控制系統(tǒng)進(jìn)行對比研究，控制系統(tǒng)（系統(tǒng)1、系統(tǒng)2）已經(jīng)闡述了?？刂葡到y(tǒng)1基于文獻(xiàn)[11]，而控制系統(tǒng)2則基于文獻(xiàn)[12，13]。此外，還介紹了一個新穎的控制系統(tǒng)（控制系統(tǒng)3），它衍生于控制系統(tǒng)2。
對于無功功率控制，這三種控制提供了相同的控制器，皆基于轉(zhuǎn)子電壓的橫軸分量 。 控制器決定轉(zhuǎn)子電壓橫軸分量，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在所期望的無功功率下運行。它包括三個控制環(huán)節(jié)，如圖6所示。外控制環(huán)控制無功功率并決定發(fā)電機(jī)電壓的參考值 。輔助的電壓控制環(huán)則決定轉(zhuǎn)子電流的橫軸分量 ，并在快達(dá)到無功功率整定值時確保發(fā)電機(jī)電壓維持在規(guī)定范圍內(nèi)。內(nèi)控制環(huán)調(diào)節(jié) ，并決定 。為了能夠很好地跟蹤電流，應(yīng)在 處增加補(bǔ)償[17]。
考慮到有功功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)子電壓縱軸分量 和槳距角控制，控制系統(tǒng)1和2介紹了不同的控制方案?？刂品桨?和3很相似，下面將闡述它們的不同點。
在下面闡述的三種控制系統(tǒng)以及功率優(yōu)化和功率限制策略的有功控制設(shè)計中，假設(shè)任何時候風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都能向電網(wǎng)傳遞全部的可利用能量，并根據(jù)額定值進(jìn)行有功功率整定。因此，只當(dāng)電力發(fā)電場需要進(jìn)行低功率調(diào)節(jié)時，才可將功率整定值改變?yōu)轱L(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)規(guī)定的參考值。
3．1控制系統(tǒng)1
這種控制系統(tǒng)有以下的特點：（1）速度由加在轉(zhuǎn)子上的電壓縱軸分量控制（2）有功功率由槳距角控制。這種控制策略是基于文獻(xiàn)[11]所用的一種。
控制器（圖7a）是一個轉(zhuǎn)速控制器。通過控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以使風(fēng)能抽取功率最大（功率優(yōu)化）而不超過發(fā)電機(jī)的額定功率，或者是在需要減功率（低功率調(diào)節(jié)）時調(diào)節(jié)功率輸出達(dá)到電風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)的功率整定值。在這種控制器中，用到兩種控制環(huán)。外控制環(huán)根據(jù)功率速度曲線確定的參照值來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并決定轉(zhuǎn)子電流縱軸分量的參考值 。內(nèi)控制環(huán)調(diào)節(jié) ，并設(shè)定轉(zhuǎn)子電壓縱軸分量 。在 增加一個補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以保證能夠很好地對電流進(jìn)行跟蹤[17]
槳距角控制裝置（圖7b）通過調(diào)節(jié)槳距角θ被用作一個有功功率控制器。因此，功率系數(shù)從風(fēng)能里抽取來的功率都減少。這種控制器按功率優(yōu)化策略將槳距角保持在最優(yōu)值。此外，控制器調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率，在高風(fēng)速時為整定值（高風(fēng)速時為額定功率或需要減功率調(diào)節(jié)時為參考值）。當(dāng)輸出功率達(dá)到參考功率時，控制器調(diào)節(jié)槳距角，這樣就將輸出功率限制為參考值?？刂破靼▽嘟亲兓瘯r的速度和和角度進(jìn)行限制。
這種控制系統(tǒng)應(yīng)用的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的操作策略總結(jié)如下：
l 功率優(yōu)化策略：在這種情況下，正如前面所述，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率整定值是建立在額定功率基礎(chǔ)上的。低于額定風(fēng)速時，葉片槳距角控制器不起作用，槳距角保持在最優(yōu)值。 控制器控制轉(zhuǎn)速，葉尖速比保持在最優(yōu)值，這樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得最大風(fēng)能抽取功率。
l 功率限制策略：在這種情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率整定值是建立在額定功率基礎(chǔ)上的。當(dāng)風(fēng)速超過額定值，槳距角控制器將工作，使功率保持為定額值， 控制器維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速于額定值。
l 低功率調(diào)節(jié)策略：當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作于低功率調(diào)節(jié)狀態(tài)時，風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)將對有功功率整定值將從額定值降至參考值。這種情況下，槳距角控制器工作，以實現(xiàn)功率整定。 控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至由功率速度曲線和參考功率確定的參考值。
3．2控制系統(tǒng)2
在控制系統(tǒng)2中，（1）有功功率由轉(zhuǎn)子電壓的縱軸分量控制（2）速度控制通過槳距角的調(diào)節(jié)作用調(diào)整轉(zhuǎn)速至最優(yōu)功率速度曲線確定的參考值。這種控制策略和文獻(xiàn)[12，13]中所采用的很相似，但也有一些不同之處，如下所述。
控制器（圖8a）是一個有功功率控制器，通過作用于轉(zhuǎn)子的電壓縱軸分量來控制輸出功率。如前面所述，假設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行于最優(yōu)功率和最低功率是獨立的，以獲得風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)所整定的額定功率。因此，這種控制器以實際的轉(zhuǎn)速并根據(jù)功率速度曲線來確定參考值，將輸出功率調(diào)整至此值。具有和控制系統(tǒng)1一樣控制環(huán)，但是，在這種控制系統(tǒng)中，外控制環(huán)是調(diào)節(jié)有功功率的。如文獻(xiàn)[12，13]所示的每個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的參考功率，風(fēng)發(fā)電場控制系統(tǒng)向每個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)送可利用功，這時系統(tǒng)運行于最優(yōu)功率、功率限制在額定值或低功率調(diào)節(jié)至整定值的狀態(tài)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，可利用功率來自功率速度曲線，并發(fā)送至風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)。因此，文獻(xiàn)[12，13] 采用的有功功率控制器并不如此處所提出的方案，并沒有包括功率速度控制曲線來規(guī)定參考功率。
槳距角控制器（圖8b）可看作是一個速度控制器，調(diào)節(jié)槳距角以減小功率系數(shù)和降低風(fēng)能抽取功率。在文獻(xiàn)[12，13]中，速度控制器的參考值是從作為風(fēng)速函數(shù)關(guān)系的最優(yōu)速度查找表產(chǎn)生的。但是，風(fēng)速儀測量出來的風(fēng)速并不能顯示整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的所受的風(fēng)速。而且，測量風(fēng)速還受到轉(zhuǎn)子振動的嚴(yán)重影響，因為風(fēng)速儀安裝在機(jī)艙[6]。因為實際風(fēng)速測量困難，本文不以風(fēng)速作為控制變量。這樣，速度參考值取自最優(yōu)功率速度曲線和參考功率。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行于功率最優(yōu)或功率限制狀態(tài)時，參考功率被設(shè)定為額定功率，此時控制器將轉(zhuǎn)速限定在額定值。在風(fēng)速低于額定和最優(yōu)功率策略中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會比額定轉(zhuǎn)速低，這樣，控制器會使槳距角保持在最優(yōu)值。另一方面，控制器作用于葉片槳距角，以保證在限功率和風(fēng)速超過額定的情況下轉(zhuǎn)速維持在額定值。在減功率運行策略中，轉(zhuǎn)速參考值來自功率速度曲線和風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)確定的參考功率，控制器工作于槳距角以維持轉(zhuǎn)速。
這種控制系統(tǒng)下的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運行狀態(tài)如下：
l 功率最優(yōu)策略：此情況下， 控制器調(diào)節(jié)輸出功率至根據(jù)功率速度曲線和實際轉(zhuǎn)速所確定的數(shù)值。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于額定值時槳距角控制器不工作，槳距角保持在最優(yōu)值。
l 功率限制策略： 控制器限制輸出功率至額定值。此外，槳距角控制器限制轉(zhuǎn)速至額定值
l 低功率調(diào)節(jié)策略：此種情況下，槳距角控制器使轉(zhuǎn)速保持在根據(jù)功率速度曲線和參考功率確定的轉(zhuǎn)速值。而且， 控制器調(diào)節(jié)輸出功率到產(chǎn)生于功率速度曲線和實際轉(zhuǎn)速的整定功率。
圖7 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)1：（a） 控制器（轉(zhuǎn)速控制器）和（b）槳距角控制器（有功功率控制器）
圖6 控制器（無功功率控制器）
圖8 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)2：(a) 控制器（有功功率控制器）(b)槳跑角控制器（速度控制器）
3．3控制系統(tǒng)3
最后，控制系統(tǒng)3介紹了一種新穎的控制方案。它是由控制系統(tǒng)2衍變而來的。這種控制有以下的優(yōu)點：（1）有功功率控制提供一個選定的模型，通過施加轉(zhuǎn)子電壓縱軸分量起作用（2）通過槳距角的作用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至額定值。
圖9 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)3：(a) 控制器（選定模型的有功功率控制器）(b)槳距角控制器（限速器）
控制器（圖9a）是一個有功功率控制器，通過對轉(zhuǎn)子電壓的縱軸分量起作用來控制輸出功率。這種控制器提供選擇模式以選擇運行狀態(tài)。有兩種運行狀態(tài)可選：功率最優(yōu)/限制，低功率調(diào)節(jié)。在功率最優(yōu)/限制狀態(tài)下，控制器以轉(zhuǎn)速規(guī)定功率速度曲線上的參考值。這樣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速運行，當(dāng)風(fēng)速低于額定時使風(fēng)能抽取功率最大，當(dāng)風(fēng)速大于額定時限制輸出至額定功率。在低功率運行狀態(tài)下，控制器則是把風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)規(guī)定的數(shù)值當(dāng)作參考值，而不是根據(jù)功率速度曲線來確定參考功率?？刂破魈峁┝撕涂刂葡到y(tǒng)2同樣的控制環(huán)。
槳距角控制器（圖9b）通過減小功率系數(shù)以及在轉(zhuǎn)速增至額定值時降低風(fēng)能抽取功率來調(diào)節(jié)槳距角?？刂破鞅３謽嘟亲顑?yōu)當(dāng)發(fā)電機(jī)速度低于額定值時，這樣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行在功率最優(yōu)效率狀態(tài)下。因此，在任何運行條件下，槳距角控制器皆起限速作用。
這種控制系統(tǒng)下的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運行策略概括如下：
l 功率最優(yōu)策略：這種情況下，槳距角控制器使槳距角處于最優(yōu)值，而 控制器控制輸出功率，這樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行于風(fēng)能抽取功率最大狀態(tài)。
l 功率限制策略： 控制器維持額定功率，槳距角控制器則將轉(zhuǎn)速限制至額定轉(zhuǎn)速。
l 低功率調(diào)節(jié)策略：這種情況下， 控制器調(diào)節(jié)輸出功率至風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)設(shè)定值，而槳距角控制器則維持額定轉(zhuǎn)速。
4．風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型及其控制系統(tǒng)的驗證
本文中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型及其控制系統(tǒng)通過在SP實驗室MATLAB/Simulink平臺，對雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的嵌入式模型的模擬響應(yīng)比較驗證所得結(jié)論。這種嵌入式模型，是HQ電力系統(tǒng)模擬實驗室開發(fā)的，為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)增加一個矢量模型[19]。本文提到的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率為2MW，額定電壓690V。表1顯示了它的參數(shù)。
模擬中的風(fēng)速如圖10a所示。風(fēng)速值在8到13m/s之間，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速和風(fēng)速高于額定值都能響應(yīng)并做出評價。
為了評價控制系統(tǒng)的性能，采用了三臺不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)分別在MATLAB/Simulink平臺上進(jìn)行模擬。每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)用一種提供的控制系統(tǒng)去控制。風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬在額定功率因素下運行（0無功功率），并且沒有進(jìn)行減功率調(diào)節(jié)操作。對所得的響應(yīng)和SP系統(tǒng)中的內(nèi)嵌模型所模擬得來的響應(yīng)進(jìn)行比較。比較分析如圖10所示，其中給出了有功和無功功率（圖10b），轉(zhuǎn)速（圖10c）,槳距角（圖10d）。通過比較這些響應(yīng)，可得以下結(jié)論：
響應(yīng)很大程度上和所顯示的變量一致。
l 在風(fēng)速低于額定值（低于10.2m/s）風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率低于額定值，當(dāng)運行在變速情況時槳距角保持在最小值（0度）。
l 在風(fēng)速大于額定值時，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)輸出功率至額定功率，限制轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速，并通過作用于槳距角以限制風(fēng)能的抽取功率。此外，在整個模擬過程中風(fēng)力發(fā)電機(jī)在0功率因素下運行。
l 如所能觀察到的，這些比較可以體現(xiàn)出本文所用的模型和控制系統(tǒng)所得響應(yīng)曲線和ＳＰ系統(tǒng)模型的很大程度上是一致的。因此，這里介紹的模型及控制系統(tǒng)可以正確地反映了風(fēng)力機(jī)的響應(yīng)。
表１ 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參數(shù)
５．風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)
風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)的目標(biāo)是當(dāng)向電網(wǎng)注入無功和有功功率時能以集中方式進(jìn)行調(diào)節(jié)（當(dāng)風(fēng)力發(fā)電場運行于ＰＱ結(jié)點時），或風(fēng)力發(fā)電場作為有功功率和電壓這樣的結(jié)點時（即ＰＶ結(jié)點）。因此，這種控制系統(tǒng)計算參考功率，包括每個風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功和無功功率。
圖10本文所用模型及控制系統(tǒng)的驗證，通過ＳimPowerSystems實驗室的MATLAB/Simulink的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬所得結(jié)果的比較：(a)風(fēng)速(b)有功和無功功率(c)轉(zhuǎn)速(d)槳距角
風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)介紹如下：（1）功率控制器，確保風(fēng)力發(fā)電場正常發(fā)電（2）輔助控制器械，對風(fēng)力發(fā)電場發(fā)電量在各風(fēng)力發(fā)電機(jī)間進(jìn)行分配，并計算每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功和無功功率。風(fēng)力發(fā)電場的控制系統(tǒng)的方框圖如圖11所示。
圖11 風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)
風(fēng)力發(fā)電場的功率控制裝置由兩個獨立控制環(huán)組成：其中之一進(jìn)行有功功率控制，而另外一環(huán)則進(jìn)行無功功率控制或是電壓結(jié)點控制。有功功率控制環(huán)基于比例積分控制器。比例積分控制器確保了風(fēng)力發(fā)電場按系統(tǒng)操作員設(shè)定的整定值 來發(fā)電。它計算有功功率偏差并為整個風(fēng)力發(fā)電場設(shè)定功率參考值 。另外的控制環(huán)提供一個可選模型，使風(fēng)力發(fā)電場進(jìn)行無功功率控制和電壓結(jié)點控制。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電場運行于PV結(jié)點時，結(jié)點電壓控制工作，調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電場結(jié)點電壓于系統(tǒng)操作員設(shè)定的參考電壓 。這個控制由為整個風(fēng)力發(fā)電場設(shè)定無功功率參考值 的比例積分器實現(xiàn)。無功功率控制基于比例積分器，將無功功率調(diào)節(jié)至系統(tǒng)操作員設(shè)定的功率參考值 。這種情況發(fā)生在風(fēng)力發(fā)電場運行于PQ結(jié)點或PV結(jié)點，這時參考功率 由結(jié)點電壓控制產(chǎn)生。比例積分控制器為整個風(fēng)力發(fā)電場設(shè)定參照功率 。
輔助控制器為風(fēng)力發(fā)電場獲取參考功率 ，并計算每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率 。目前為止，已經(jīng)有多種方案用于輔助控制[12-14，20]。其中最簡單的一種是對每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)計算相同的參考功率[20]。這樣，所有的風(fēng)力電發(fā)機(jī)都產(chǎn)生同樣的有功和無功功率。文獻(xiàn)[12，13]中有一種效率較高的方案，其功率參考值按可利用的有功和無功功率的一定比例來設(shè)定。文獻(xiàn)[14]介紹了另一種優(yōu)化的輔助方案，它考慮了每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)停時的內(nèi)部損耗以優(yōu)化有功和無功功率參考值。
輔助控制方案不影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的運行特性。因此，本文采用按一定比例的可利用有功和無功功率的方案，因為它效果更好且易于添加。這種方案中，每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參考功率可由以下式子計算：
其中： 是功率速度控制曲線（圖3）計算得出的可利用有功功率。 是第i臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)等式（17）計算出來的可用無功功率。
本文假設(shè)任何時候可用電量（功率最大或功率最小時）都全部輸入電網(wǎng)，每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率參考值設(shè)定為額定。這樣，只當(dāng)需要減功率調(diào)節(jié)時，參考功率值才會由輔助控制設(shè)定。因此，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)沒有獲得系統(tǒng)操作員設(shè)定的參考功率，那么它將根據(jù)風(fēng)輸入量自動運行于功率最優(yōu)或功率限制狀態(tài)。這種運行方案用在文獻(xiàn)[11]。在文獻(xiàn)[12，13]中，任何運行條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)均需要恒定輸出風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)設(shè)定的參考功率。因此，參考功率可以是風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行于功率最優(yōu)時的額定功率，減功率調(diào)節(jié)下輔助控制設(shè)定的整定功率。
6．模擬結(jié)果
這部分重點是評價所介紹的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的性能。包括在風(fēng)力發(fā)機(jī)可用電能全部輸入電網(wǎng)（功率最優(yōu)狀態(tài)和功率限制狀態(tài)）以及需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時的性能評價。
本文中，風(fēng)力發(fā)電場由三臺雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組成，見圖12的風(fēng)力發(fā)電場布局。雙饋感應(yīng)發(fā)電力機(jī)額定功率為2MW，額定電壓為690V，見表1。每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)都通過容量2 .5MVA,20/0.69kV的變壓器連入風(fēng)力發(fā)電場。風(fēng)力發(fā)電場經(jīng)過8MVA，66/20kV以10km長的饋線接入電網(wǎng)。
圖12 風(fēng)力發(fā)電場布局
圖13 作用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)情況
圖13顯示了模擬中作用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速。這些曲線和前30s低于額定值，其余高于額定值的風(fēng)速相對應(yīng)。這就讓風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)在任何條件下運行于功率最優(yōu)、功率限制或低功率調(diào)節(jié)狀態(tài)。
控制系統(tǒng)的性能通過以下兩種風(fēng)力發(fā)電場模擬評定：
l 風(fēng)力發(fā)電場運行于PQ結(jié)點，控制注入電網(wǎng)的有功和無功功率。
l 風(fēng)力發(fā)電場運行于PV結(jié)點，控制風(fēng)力發(fā)電場結(jié)點的有功功率和電壓。
為比較風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，模擬了三個風(fēng)力發(fā)電場。每個風(fēng)力發(fā)電場顯示了用提供的控制系統(tǒng)控制所有雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的情況。
情況1：風(fēng)力發(fā)電場作為PQ結(jié)點運行。此情況下，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能及根據(jù)系統(tǒng)操作員設(shè)定的參考功率調(diào)節(jié)發(fā)電量進(jìn)行了驗證。風(fēng)力發(fā)電場運行情況如下：
l 在前60s，產(chǎn)生最大可能輸出功率注入電網(wǎng)。
l 在第60s，風(fēng)力發(fā)電場獲得60%的有功功率參考值增量，斜率為0.1。
l 在前80s，風(fēng)力發(fā)電場運行于額定功率因素，而其后模擬中產(chǎn)生最大無功功率，其斜率為0.1。
圖14闡述了三個風(fēng)力發(fā)電場的響應(yīng)，并標(biāo)注了風(fēng)力發(fā)電場結(jié)點的無功功率和結(jié)點電壓。可以看到，模擬結(jié)果足以顯示三種風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的性能，并實現(xiàn)了要求的風(fēng)力發(fā)電運行操作。但是，值得一提是，當(dāng)運行于最大無功功率狀態(tài)，由控制系統(tǒng)3控制雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)所在的風(fēng)力發(fā)電場所發(fā)的無功功率大于另兩風(fēng)力發(fā)電場所發(fā)的無功功率。引起的風(fēng)力發(fā)電場結(jié)點電壓升高的原因?qū)⒃诤竺孀C明。
三種系統(tǒng)控制系統(tǒng)的性能如圖15和圖16所示，只提供了離風(fēng)力發(fā)電站最遠(yuǎn)的3號風(fēng)力發(fā)電機(jī)的響應(yīng)曲線。
如所觀察到的結(jié)果，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在額定以下風(fēng)速（在前20s）運行，隨轉(zhuǎn)速變化產(chǎn)生低于額定的有功功率以實現(xiàn)最佳的功率效率。這樣，風(fēng)力發(fā)電機(jī)以最大的功率系數(shù)運行，槳距角也維持在最優(yōu)值。
雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在20S到60S間達(dá)到額定功率，因為輸入風(fēng)速超過額定值。在控制系統(tǒng)1中，槳距角控制器通過槳距角維持額定功率， 控制器則使轉(zhuǎn)速維持在額定值。控制系統(tǒng)2和3， 控制器調(diào)節(jié)輸出功率至額定，而槳距角控制器則將轉(zhuǎn)速限制在額定值。輸入風(fēng)的變化和葉槳運動速度的限制導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)1的輸出功率和控制系統(tǒng)2和3的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生微量變化。 控制器，通過功率變化器控制，使控制系統(tǒng)1完善調(diào)節(jié)至額定速度，使控制系統(tǒng)2和3完善調(diào)節(jié)至額定有功功率。
在其余的模擬中，因為風(fēng)速在額定以上，故風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出額定功率。但是，要求將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率減至0.4p.u.（減功率調(diào)節(jié)）。注意到，雖然控制系統(tǒng)1和2的控制變量實現(xiàn)了相同性能，但是控制系統(tǒng)1的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的響應(yīng)變化較大。這種情況下，槳距角控制器工作以達(dá)到功率參考值， 控制器則調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至0.899p.u.，這個數(shù)值是在功率速度曲線上按參考功率得來的。在控制系統(tǒng)2， 控制器調(diào)節(jié)輸出功率至由功率速度曲線及轉(zhuǎn)速得來的參考值，而槳距角控制器則調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至0.899p.u.，這個數(shù)值取于功率速度曲線和功率參考值。最后在控制系統(tǒng)3是， 控制器調(diào)節(jié)輸出功率至風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)設(shè)定的參考功率，槳距角控制器維持轉(zhuǎn)速至恒定額定轉(zhuǎn)速。
圖14 風(fēng)力發(fā)電場作為PQ結(jié)點運行的響應(yīng)：(a)有功和無功功率(b)風(fēng)力發(fā)電場的結(jié)點電壓。
圖15 風(fēng)力發(fā)電場作為PQ結(jié)點時通過3號風(fēng)力發(fā)電機(jī)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的比較：(a)有功和無功功率，(b)機(jī)械轉(zhuǎn)距，(c)轉(zhuǎn)速，(d)Cp/Cp.max關(guān)系.
圖16 風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為PQ結(jié)點時通過3號風(fēng)力發(fā)電機(jī)的響應(yīng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的比較：(a)槳距角，(b)轉(zhuǎn)子電壓直軸和縱軸分量(c)定子和轉(zhuǎn)子的有功功率(d)最大無功功率。
注意到控制系統(tǒng)1和2的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是在同步轉(zhuǎn)速以下產(chǎn)生參考功率的，因此，轉(zhuǎn)子繞組消耗有功功率，如從等式（16）推斷出來一樣。相反，控制系統(tǒng)3的參考功率是在同步轉(zhuǎn)速以上獲得。這樣，定子和轉(zhuǎn)子繞組均產(chǎn)生有功功率，也可從等式（16）得出。
在減功率調(diào)節(jié)狀態(tài)下，控制系統(tǒng)1和2的風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)速，因此它們以同樣的方法控制 的變化。因為控制系統(tǒng)3發(fā)電機(jī)速度不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)需要不同的 。此外，由控制系統(tǒng)3控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要相比控制系統(tǒng)1和2較小的槳距角，并且由于轉(zhuǎn)速較高，其葉尖速比不同。這個事實證實了槳距角的不同，因為功率系統(tǒng)的減小需要在另一個槳距角下實現(xiàn)。
當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行于額定功率時（在前80s），每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)無功功率至風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)設(shè)定的參考值。在其余的模擬中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生最大的無功功率。值得注意的是，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)從額定功率下運行改為最大無功功率運行時，其無功功率和轉(zhuǎn)子電壓的直軸分量 會增加。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)不作減功率調(diào)節(jié)運行時（模擬的前60s），三種控制系統(tǒng)的 控制都呈現(xiàn)相同的性能。但是值得一提的是，由控制系統(tǒng)1控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功變化較大，因為有功功率的變化。在其余的模擬中，當(dāng)需要減速功率調(diào)節(jié)時，控制系統(tǒng)1和2的 控制性能相似。但是控制系統(tǒng)3卻不一樣。在減功率調(diào)節(jié)運行時，控制系統(tǒng)1和2的風(fēng)力發(fā)電機(jī)以低于同步的轉(zhuǎn)速運行，因此定子繞組產(chǎn)生功率，而轉(zhuǎn)子繞組則從電網(wǎng)吸收功率。在控制系統(tǒng)3中，風(fēng)力發(fā)電運行于同步以上的轉(zhuǎn)速，其定子和轉(zhuǎn)子都產(chǎn)生功率。因此，控制系統(tǒng)3的風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要較少的定子功率，且由于最大無功功率取決于定子功率，因此這臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)能產(chǎn)生更多的無功功率。
圖17 風(fēng)力發(fā)電場作為PV結(jié)點運行的響應(yīng)：(a)有功功率和無功功率(b)風(fēng)力發(fā)電場的結(jié)點電壓。
情況2：風(fēng)力發(fā)電場作為PV結(jié)點運行。為評價風(fēng)力發(fā)電機(jī)及風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電場發(fā)電量時，進(jìn)行了另一種模擬。這種情況下，風(fēng)力發(fā)電場的有功功率和電壓均根據(jù)電力系統(tǒng)操作員設(shè)定的參考值進(jìn)行控制。
在模擬操作中，風(fēng)力發(fā)電場以與減功率調(diào)節(jié)一樣的風(fēng)況作用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)，就如情況1。但是，風(fēng)力發(fā)電場的結(jié)點電壓參考值在前80s被設(shè)為1p.u.，而在其后則是1.01p.u.。此模擬中，重點是風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電場結(jié)點處的性能，因此，只給出了風(fēng)力發(fā)電場的響應(yīng)。圖17標(biāo)注了有功和無功功率，以及風(fēng)力發(fā)電場的結(jié)點電壓。
對于所提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)及風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)，在這樣的情況下，即作為PV結(jié)點，其模擬結(jié)果呈現(xiàn)了良好的性能，實現(xiàn)了所要求的運行特性。
7．結(jié)論
本文介紹了雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三種控制方案在性能方面的比較研究，當(dāng)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時，其有功和無功功率均被設(shè)為風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)規(guī)定的整定值。雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率控制，經(jīng)功率變化器，并配合葉片槳距角控制，適當(dāng)控制轉(zhuǎn)子電壓的直軸分量和縱軸分量實現(xiàn)。
在本文中，闡述了三種有可能實現(xiàn)控制變量的方法。其中兩種（控制系統(tǒng)1和2）是基于已有的方案，而第三種控制系統(tǒng)（控制系統(tǒng)3）則介紹了一種新穎的控制方法，它實質(zhì)上是控制系統(tǒng)2的衍變。對于無功功率的控制，三種控制系統(tǒng)提供了一樣的控制裝置，都是基于轉(zhuǎn)子電壓的直軸分量 ?？紤]到轉(zhuǎn)子電壓縱軸分量 及槳距角θ，控制系統(tǒng)1和2提供了一種不同的控制方案，雖然方案2和3的控制是相似的，但也有一些區(qū)別。在控制系統(tǒng)1中，速度控制通過施加轉(zhuǎn)子電壓縱向分量實現(xiàn)，并通過槳距角控制有功功率。在控制系統(tǒng)2中，有功功率由轉(zhuǎn)子電壓的縱軸分量控制，而其轉(zhuǎn)速則被控制至從作用于槳距角的功率速度曲線獲得的參考速度。在控制系統(tǒng)3中，有功功率也是由轉(zhuǎn)子電壓的縱軸分量控制。但是，它提供了一種可選模型以選擇運行模式（功率最優(yōu)/限制或減功率調(diào)節(jié)）。在些情況下，通過槳距角的作用速度被限制在額定值。
風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的性能通過在內(nèi)嵌有集中控制系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電場對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行模擬已經(jīng)得到評定。風(fēng)力發(fā)電場控制系統(tǒng)根據(jù)電力系統(tǒng)操作員設(shè)定的參考值對每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)均計算其功率參考值（有功和無功功率），以調(diào)節(jié)發(fā)電量。在功率配置方面采用了一種有效的方法，它是按可用有功和無功功率的一定比例進(jìn)行功率分配。三個風(fēng)力發(fā)電場均分別作為PQ和PV結(jié)點進(jìn)行了模擬。每個風(fēng)力發(fā)電場均展示了由所提供的控制系統(tǒng)之一控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的情況。
模擬結(jié)果闡述了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在任何條件下，由所描述的控制系統(tǒng)控制電力產(chǎn)生的特性，包括有功和無功功率。減功率調(diào)節(jié)下運行除外，控制系統(tǒng)2和3呈現(xiàn)同樣的特性。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行于功率限制狀態(tài)時，控制系統(tǒng)1下的功率輸出有微量的變化。在減功率調(diào)節(jié)時，控制系統(tǒng)1和2特性相似，因為在相同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生參考功率。但是，控制系統(tǒng)3的特性卻不同，因為其風(fēng)力發(fā)電機(jī)的參考功率是在額定轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的。因此，需要槳距角調(diào)節(jié)以減小功率系數(shù)，并且定子產(chǎn)生的有功功率應(yīng)比另外兩種控制要少。這就暗示了一種更容易利用的無功功率，它對維持風(fēng)力發(fā)電場的電壓控制起很大的作用。因此，如從模擬中的控制系統(tǒng)所呈現(xiàn)的特性一樣，相比其它兩種，控制系統(tǒng)3是最好的控制方案。
感謝：本文得到西班牙教育科學(xué)部ENE2005-04807研究項目的支持。
