３６ １索言汽粉按 Ｉ ＤＯＮＧＦＡＮＧ ＴＵＲＢｌＮＥ 为１９．８ｄＢ，相位裕度为４３．８度。 图２变速变桨风力发电机的工作曲线 ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏ —～ — ’ ‘—＼ 、 ～～ — ＼ Ｖ ／＾ ＼ 占 ≮ ●＿●●● ，－●● … ●。＿● ●＋●－ ＼ ＼ 【；Ｍ：１ ９ ｇｄＢ Ｆｒｃｑ：１ ７ｒａｄ／ｓ￣：ｃ Ｓｔ曲Ｉｅ ｏｏｐｌ 图３风速为９ｍ／ｓ，ＦＤ１２０Ａ风力发电机力矩控制器 当风力发电机达到额定功率时，发电机力矩 给定值恒定，这样低速轴阻尼很小嗍。对于风电机 组中的传动链则容易引起作用在齿轮箱上的扭矩 大范围波动，增加齿轮箱疲劳载荷，在力矩控制 器设计的时候可以增加驱动链阻尼，减少齿轮箱 的疲劳载荷。通常在力矩给定值基础上增加一个 传动链系统频率上的很小波动，通过相位调整可 以抵消谐振作用，有效地增）ａｎ－５￣动链阻尼。传动 链阻尼结构如图４所示，高通滤波器的形式如下 ： Ｇ Ｕ— —————————■ ＋２Ｅ ＋ （＿（２）…／） 其中，Ｇ是增益，作用在发电机转速的测量 上，能够用来产生辅助波动。角频率０９必须在阻 尼振荡的频率附近。时间常数 可以用来补偿系 统的时间滞后。 尽管可以设计出很有效的滤波器以便在很宽 的峰值上产生频率响应，但是这会影响系统的总 体性能，因为引入了低频时转矩和功率的变化。 即使峰值较窄，也会有很大的频率响应以桨叶穿 越倍数来干扰系统，如３Ｐ或６Ｐ，因此在高通滤波 器上叠加一个或者多个陷波器。 图５为风速１８ｍ／ｓ，ＦＤ１２０Ａ风机运行于三维湍 流风场情况下的齿轮箱输入力矩累积变化。从图 中可以看出增加驱动链阻尼以后，齿轮箱输入力 矩累积变化明显减少，这样可以减少齿轮箱的疲 劳载荷。由于增加的转矩纹波很小，这样对功率 影响也非常小。 转 图４传动链阻尼结构图 ｌ Ｏｅ＋ｊＯ 主８．０ｅ＋０ ９ Ｚ ６ ０ｅ＋ｏ ９ ４ ０ｅ＋０ ９ ２．０ｅ＋ｏ ９ ０ Ｏｅ４００ ０ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［Ｉ／Ｓ】 图５风速１８ｍ／ｓ，齿轮箱输入力矩累积变化 风力发电机气动扭矩是桨距角、风轮转速和 风速的函数。在变桨控制时，风力发电机转速已 豪言汽粉１ｆ｛｝． ＤＯＮＧＦＡＮＧ ＴＵＲＢＩＮＥ ３７ 经达到额定转速，同时风速的变化可以作为外部 扰动量来考虑 ，这样可以把变桨控制器设计简 化为单输入单输出的系统。 在不同桨距角下，风力发电机气动扭矩对桨 距角的变化率不同，这样会引起在不同桨距角时 变桨控制器控制灵敏度不同。为了抵消这种不利 影响，可以采用增益表控制方式。图６为不同风速 变桨需求到发电机转速Ｂｏｄｅ图，从图中可知，不 同风速Ｂｏｄｅ图不同，这样很难统一对变桨控制器 设计。图７为添加增益表控制后不同风速变桨需求 到发电机转速Ｂｏｄｅ图，从图中可知，不同风速 Ｂｏｄｅ图在变桨控制器设计带宽内基本相同，这样 便于变桨控制器设计。 景车幂琴至攀蓠 ：：・… ：‘： ： ：：：：… ： ｉ ｔ…＇。十十｛ｔ ｝……～‘１…｝ － … ＇：：＿ ： ：＿：・：： 十 ｔ． …ｔ…十…１…｝。’。ｔ‘ ‘ 十÷－ ｔ｝．１｝…‘。…ｔ……－＇｛十十 ……ｔ—ｆ－÷‘一 ・｝ 。ｌ｛・ ｝一Ｉ十＋ ●Ｉ¨ －●＋｛●｝｛ ：’ ● 十 ｔ｝｝Ｉ｛ ÷…』．；；・；；－ｉ｝…… …－－｛… －－ －｛｛；｛・‘， ． 荛…＝＝＝ ． 扣“－＿ｉ．＊ 十…●十呻 ＇｝……｝ ｛一｝｛｛・｝ ～｝ ｛：＋｛＋－ ：・ｌ …ｔ一－＋…１…：｝．｛：｝－ｔ・｛ ： Ｌ ；ｔ：ｊ： Ｊ Ｉ－：；： ：：．；ｊ Ｌ ｉ ：ｉ玉 ｔＨ●一—ｌ 图６不同风速变桨命令到电机转速Ｂｏｄｅ图 一～ …ｉ ｔ ４ ｌＩ Ｊ．ｉ ｉ ． — …Ｌ Ｌ ｉ ｉ …ｉ ． ｊ＇ Ｌ ； ｉ；㈠ｉ… ；｝ｉ ｉ ｔｉｉｉ： 、ｉ ｉ｛；ｊ ｌｉｌ ｊｉ ｌ ｉ ｊ ｊｉｊ ………ｒ～，一ｒ 。？ ｊ １ ｔ｛………，…～ｒ—ｒｙ－１｝‘｝＇ …… …一｝…ｔ一｝¨｝。！。Ｔ｝ｉ一……‘１…一ｔ…！‘ ｔ叶。？‘竹 ……卜，ｊ ｊ～ …一ｊ ｊ ｉｊ ｊ 一 ｌｉ； 潲…… ｊ ｊｉｊ； ：ｊ ｉ’ ■＿． …卜｝ ÷；ｌ： ｉ；ｉ ： ｌ ｝ ｛ｉ ｊ ｛ｌ ｉｉ ｝】 ｉ ｊ ｌ｛ ｊ；ｌ】ｌＩ、＿—÷－— ■—Ｈ竹 图７添加增益表控制后不同风速变桨命令到电机转速 Ｂｏｄｅ图 风力发电机变桨控制器的设计同样主要考虑 保证系统稳定和良好的动态性能。现在风力发电 机上广泛使用的变桨控制器同样也是比例加积分 的ＰＩ控制器，采用比例环节来保证变桨动作快速 响应，积分环节来保证变桨控制没有稳态误差。 ＦＤ１２０Ａ风力发电机变桨控制器Ｂｏｄｅ图如图８所示， 变桨控制器稳定，幅值裕度为８．５６ｄＢ，相位裕度 为３９．１度。 ３８ ｆ圣右汔粉找 １ ＤＯＮＧＦＡＮＧ ＴＵＲＢＩＮＥ 图８风速为１５ｍ／ｓ，ＦＤ１２０Ａ风力发电机变桨控制器 风力发电机塔筒前后振动是很弱的阻尼振 荡，有很强的谐振响应。响应的快慢取决于阻尼 的大小，即风轮的有效机械阻尼。变桨控制时可 以调整风轮的有效阻尼的大小。因此，在设计变 桨控制器时，应尽量增加塔筒阻尼。 塔筒的动态特性可以用简单的二阶谐波阻尼 系统近似进行描述 。 Ｍ３ｃ＇＋ＤＪｃ＋Ｋｘ＝Ｆ＋ＡＦ （３） 式中， 为塔筒的位移；Ｆ为外力，这里代表 风轮的推力；Ａ Ｆ为变桨动作所引起的附加力； Ｍ为塔筒模态质量；Ｋ为模态的刚度系数；Ｄ３０塔筒 阻尼，很小。如果ＡＦ与一戈成正比，可以显著地增 加有效阻尼。图９为塔筒阻尼结构框图，阻尼滤波 器用来降低在塔筒共振频率附加风速扰动对风力 发电机塔筒振动的响应，陷波器用来桨叶穿 越频率的影响。图１０示出了风速２５ｍ／ｓ，ＦＤ１２０Ａ风 机运行于三维湍流风场情况下塔筒底部弯矩Ｍｘｙ的 自相关谱密度，从图ｌ０可知增加塔筒阻尼以后， 塔筒底部振动明显减少，降低了塔筒疲劳载荷。 图９塔筒阻尼结构框图 ｉ ／ … ／ｆ】塔筒阻尼 ｌ Ｖ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ［ｆ ｉ 陶１０塔筒底部弯矩Ｍｘｙ自相关谱密度 本文分析了变速变桨风力发电机控制的一般 原理。采用ＦＤ１２０Ａ风力发电机控制器设计为例， 分析了如何提高风力发电机风能的捕获，介绍了 力矩控制器和变桨控制器的设计以及驱动链和塔 筒阻尼器的设计。采用变速控制方式，在变速范 围内维持风力发电机运行在最佳叶尖速比可保证 最大风能捕获；采用ＰＩ控制器，可保证力矩和变 桨控制器稳定且有良好的动态特性；采用增加力 矩纹波来增加驱动链阻尼，可降低齿轮箱疲劳载 荷；采用修改变桨动作来增加塔筒阻尼，可降低 塔筒疲劳载荷。 参考文献 …程明，张运乾，张建忠．风力发电机发展现状及研究进展 【Ｉ］．电力科学与技术学报，２００９ ２４（３） 【２】世界风能协会．２００９－￣界风能报告［３１宋之燕，译．风能设 备．２０１０ 【３】中国可再生能源学会风能专业委员￣（ＣＷＥＡ）２００９年 中国风电装机容量统计ＵＪ．风能，２ｏ１｛）、 【４１ Ｌｅｉｔｈｅａｄ Ｗ，Ｄｏｍｉｎｇｕｅｚ Ｓ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ Ｊ．ＥＷＥＣ，Ａｔｈｅｎｓ， Ｇｒｅｅｃｅ，２００６ ［５】叶杭冶．风力发电机组的控制技术【Ｍ１．２版．北京：机械工 业出版社．２００９ ［６１ Ｗｉｌｌｉａｍ Ｅ．Ｌｅｉｔｈｅａｄ，Ｓｅ嚼ｏ Ｄｏｍｉｎｇｕｅｚ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｔｒａｔｈｃｌｙｄｅ，Ｇｌａｓｇｏｗ Ｇ１ １ＱＥ，ＵＫ），Ａｃｔｉｖｅ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ—Ｍｗ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ：Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７—２０ 【７】Ｌｅｉｔｈｅａｄ Ｗ，Ｌｅｉｔｈ Ｄ，Ｈａｒｄｅｎ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｇｌｏｂａｌ ｇａｉｎ— ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ｃ１． ＥＷＥＣ，Ｎｉｃｅ，Ｆｒａｎｃｅ，１９９９ ［８】林志明，潘东浩，王贵子，许国东，娄尧林双馈式变速变 桨风力发电机组的转矩控制Ｕ】．中国电机工程学报，２００９ ［９１【美］Ｔｏｎｙ Ｂｕｒｔｏｎ，等，著．武鑫，等，译．风能技术【Ｍ】科学 出版社，２００７ 欢迎订阅
