1.2.3 風(fēng)力機控制系統(tǒng)

圖1-4中變速風(fēng)力機的控制系統(tǒng)需要計算出發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩指令值和槳距角指令值，這樣才能實現(xiàn)以下幾個控制要求：

1）捕獲最大風(fēng)能。

2）保障風(fēng)力機安全運行，確保功率、速度和轉(zhuǎn)矩均處于限制范圍內(nèi)。

3）傳動系統(tǒng)機械載荷最小。

控制策略的設(shè)計是一件非常復(fù)雜的工作，因為它和風(fēng)力機的空氣動力學(xué)和機械設(shè)計息息相關(guān)。本節(jié)首先介紹了風(fēng)力機控制系統(tǒng)的通用控制策略，接著介紹了與風(fēng)能捕獲和速度-功率控制相關(guān)的控制策略。本章只進(jìn)行控制策略的簡單舉例介紹，后續(xù)章節(jié)將會更深入地根據(jù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析以及相應(yīng)的評估指標(biāo)建立控制策略。

一臺變速風(fēng)力機通用的控制策略通常分為三個不同的層次，如圖1-7所示。這也是本書的重點，詳細(xì)內(nèi)容將在后面章節(jié)中進(jìn)行分析。

圖1-7 風(fēng)力機的通用控制策略

控制層1調(diào)節(jié)電網(wǎng)和發(fā)電機之間的功率流動。轉(zhuǎn)子側(cè)變換器可實現(xiàn)發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩控制和定子側(cè)無功功率獨立控制。網(wǎng)側(cè)變換器提供變換器和電網(wǎng)之間的有功功率和無功功率的解耦控制。在轉(zhuǎn)子和直流母線之間存在有功功率的交換，通過網(wǎng)側(cè)變換器控制直流母線和電網(wǎng)間交換的有功功率來保持直流母線電壓不變。

控制層2控制風(fēng)能向機械能的轉(zhuǎn)換，也就是風(fēng)力機能從風(fēng)中捕獲到的能量。該層需要計算出控制層1的指令值，通常主要有兩種運行模式：①盡量從風(fēng)中吸收最多的功率，正如在前面講過的，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩即定子有功功率和槳距角指令值，保證風(fēng)力機運行在最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）模式，這是使投資回報率最高的正常運行模式。②跟隨從更高控制層來的有功功率和無功功率指令值，這種模式下風(fēng)力機有備用容量是必要的，當(dāng)電網(wǎng)越來越依賴于風(fēng)力發(fā)電時，這在未來將是重要的一種模式。

控制層3致力于風(fēng)力機并網(wǎng)運行層面。該層需要完成和風(fēng)電場控制一樣的功能：①提供輔助服務(wù)：電壓Vgrid和頻率fgrid控制或慣性響應(yīng)。②跟隨來自電網(wǎng)調(diào)度或風(fēng)電場集控中心的有功功率和無功功率指令值。