江南体育机的有功和无功输出。其中，有功控制指令由速度控制器给出，无功控制指令 Qgrid

　　员给出，当电网比较脆弱或者发生故障的时候，控制逆变器输出无功的大小支持电网电压。整流器采 用定子磁链矢量控制，利用双馈电机的动态方程可得出发电机电磁转矩 Te,忽略定子绕组时定子侧有 功功率 Pgrid、无功功率 Qgrid,交流励磁的电压 urd 和 urq 分别为：

　　图 4- 大型风力发电机的偏航控制 （2）叶片控制 按照叶片桨距是否可控，风力机的功率调节方式可分为定桨距控制和变桨距控制。定桨距控制也 称为失速控制，如图 4- 所示，风轮叶片的桨距角保持不变，风力机的功率调节完全依靠叶片的气动 特性。风力机一般设计为在小于额定风速时具有最佳转换效率，发电机工作于同步转速附近。当风速 超过额定风速时，由于叶片存在着失速效应，降低了 C p ，维持发电机输出功率恒定。

　　图 4- 同步发电机的交-直-交 双 PWM 调制电压源型换流器电路结构如图 4- 所示，相比二极管整流器，PWM 整流电路不仅能够 控制直流电压，还可以控制发电机的定子电流为正弦波，减少了由于定子电流谐波分量引起的电机损 耗和转矩脉动，缺点是增加了系统的成本。与前面介绍的三相 PWM 逆变电路的控制方法相类似，控制 器一般采用双环设计，外环是功率或者电压控制器，内环为电流跟踪控制器。电流跟踪控制有直接控 制和间接控制两种方式。其中，间接控制中电流内环采用开环设计，这种设计控制成本低，静态特性 好，但控制效果易受电网电压波形畸变的影响；直接电流控制对电流进行闭环控制，具有动态响应速 度快，控制精度高的优点，是目前应用最广泛的方式。主要的控制方法有瞬时比较、滞环比较和矢量 比较控制等。矢量控制（控制结构如图 4- 所示）是目前变速风力发电系统中普遍采用的发电机调速 方法，将发电机输出的三相电压、电流分量变换到同步旋转坐标系下，实现对 d 轴电流和 q 轴电流的 解耦控制，通过控制 q 轴电流分量控制发电机转矩，进而控制发电机转速，增加前馈补偿环节消除 d 轴和 q 轴之间的耦合项，实现 d 轴分量和 q 轴分量解耦控制。

　　图 4- 双向晶闸管软启动器 图 b 所示的由风力机驱动同步发电机直接并网的系统实际应用比较少。 由于发电机的转速取决于 风机的转速，与电网和发电机励磁无关，因此只有当风机带动发电机接近同步速的时候才能并网，并 网时可以采用准同步并网和自同步并网两种方法。 准同步并网利用复杂的并网装置经过发电机定子电 压和相角进行调节和校准的整步过程。 自同步并网， 在并网前励磁绕组短接， 并网后再立即投入励磁， 靠定子和转子之间电磁力的作用将发电机牵入同步运行，这种方式的冲击电流较大，电网电压发生短 时间下降。并网后需要保持转速恒定，如果发电机并网过程中由于故障而失步，必须经脱网后再次进 行同步操作，重新并网。 通过控制发电机与电网之间的电力电子换流器并网，具有并网平稳，不会产生较大冲击电流的优 点，同时能够抑制并网谐波分量，在间接并网的风力发电系统中得到广泛应用。并网前，逆变器采用 闭环控制（控制器如图 4-所示），利用电压传感器检测电网和发电机电压的频率、幅值和相位，将 采样信号与输出电压信号比较后产生控制信号，与三角波信号比较，产生 PWM 调制信号控制逆变器开 关管的导通，从而达到跟踪电网各相电压的目的。当检测到两端电压完全一致，满足并网条件后执行 并网操作。

　　图 4- 逆变器控制（改动） 在图 a 和图 b 的结构中，永磁同步发电机输出电压有效值近似正比于发电机转速，因此在低风速 下经二极管整流后的直流电压会降低，然而过低的直流电压会造成电压源逆变器无法完成有源逆变， 同时如果没有升压电路，也会使系统消耗过高的无功功率，引起电网电压波动。为了使直驱永磁发电 系统工作在一个较宽的风速范围内，引入 DC/DC 升压电路稳定直流电压（如图 4- 所示），降低风速 对发电机输出电压的限制。

　　max 使叶尖速比  等于最优值 opt ，则风力机能够在最大风能转换效率 C p 下运行。

　　图 4- C p ( ,  ) 曲线 采用固定桨距时， C p 只与叶尖速比有关系，可以用如图 4- 所示的曲线描述不同风速和风机转 速（不同叶尖速比）下的功率特性。对于一个特定的风力发电机，在某个固定风速下，随着风力机转 速的变化，  的值相应变化，从而使风力机的输出机械功率变化。如图中 A、江南体育C、E 点所示，每条功率 -转速曲线具有唯一的最优叶尖速比 opt ， 对应的输出功率为最大输出功率 Popt ， 最佳功率点的连线称 为风机的最佳功率曲线，运行在该曲线上风机能够输出最大功率：

　　* * 环电流控制器根据电流参考指令输出调制信号 U d 和 U q 。由式（4-24）、（4-25）可知，等式最右侧

　　项为交叉耦合项，即使定向准确，只要转差不为零，耦合项就存在。为了消除转差不为零时引起的交 叉耦合作用，等式右侧的前两项分别由 d 轴和 q 轴电流 PI 调节器实现，而耦合项采用反馈环节补偿。

　　控制器后，输出桨距角的指令信号  ref ，与实际桨距角比较后的误差   作为桨距调节系统的输入信 号，变桨距机构用一个一阶滞后环节表示， Ts 表示滞后时间常数。

　　图 4- 使用双馈异步电机的风力发电系统（重画） 由于桨距调节有滞后时间，特别是对于惯性大的风机，滞后现象更为突出，在阵风或者风速变化 频繁时，导致桨距大幅度频繁调节，发电机输出功率也将大幅度波动。因此单靠桨距控制器调节风机 的输出功率，并不能实现输出功率的稳定性。在风机控制中，利用速度控制器调节发电机转速，与变 桨距风力机结合起来共同完成发电机的输出功率调节。主要的控制策略是：当风速低于额定风速时，

　　风力发电系统的基本结构如图 4- 所示，由叶片、风力机、机械传动机构、发电机、并网装置、 保护和控制系统组成。风力发电系统的主要任务是将不断变化的风能转换为频率、电压恒定的交流电 或者电压恒定的直流电。

　　4- 风力发电系统的基本结构 控制系统是风力发电机的主要核心部件之一。当风速平均值在持续 10min 内达到切入风速，且系 统自检无故障时，控制系统发出释放制动指令，风力机由待风状态进入低风速起动状态；当风力机转 速接近同步转速时，执行并网操作；由于风机的输出功率随着风速的变化而变化，需要通过合理的控 制措施调节风机或者发电机的转速维持输出频率恒定，同时实现最大风能追踪，获得较高的风能转换 效率以降低发电成本；当风机转速超越上限发生飞车时，必须进行限速操作，甚至刹车，强制停机。 1．最大风能追踪 如图 4- 所示，风吹过叶片后产生升力推动叶片旋转，但流过叶片的风不可能完全静止，风力机 捕捉的风能只占初始风能的一部分。风机的能量转换公式可以写成：

　　图 4- 风机功率特性曲线 由于风机桨距调节机构对风速的反应有一定的时延， 在阵风出现时桨距调节机构来不及动作而造 成风机的瞬时过载， 不利于风机的运行。 针对这一点，提出了主动失速控制。 当风速小于额定风速时， 仍采用定桨距控制模式；当风速增大超过额定风速后，叶片的失速效应发挥作用，风机的输出功率有 所下降，在较小的范围内调整桨距角以提高输出功率。 3．风力发电系统的并网方式 并网型风力发电系统的主要结构如表 4- 所示。其中，按照发电机的类型，可以分为使用同步发 电机和使用异步发电机的风力发电系统。同步发电机除传统的硅整流自励绕线式转子电机之外，还包 含有永磁同步发电机和多极低速同步发电机；随着电力电子变频器和 PWM 调制技术的发展，在传统异 步发电机的基础上产生了很多新型异步电机，如双馈异步电机、滑差可调异步电机等。 按照风力机驱动发电机的方式又可分为直驱式（如图 f、h）和使用增速齿轮箱驱动式两种类型， 直驱式设计不需要复杂的增速齿轮箱，节约成本、减小维护工作量，提高了系统的可靠性。直驱发电 使用的同步发电机极数较多，因此定子内径相对大，非常适合采用永磁设计。永磁同步发电机不存在 励磁绕组铜损耗，发电效率比同容量的电励磁发电机高；转子上没有滑环，维护简单；重量轻，制造 工艺相对简便，在中、小型风力发电机中被广泛采用，基于永磁同步发电机的兆瓦级风力发电系统在 国内外也已经研制成功，这种风机的转子尺寸大，旋转速度相对慢，但转矩和转动惯量大。永磁同步 发电机的缺点是电磁结构复杂，成本高，电压调节能力差，需要使用电力电子换流器作为主要功率调 节手段。硅整流自励多极低速同步发电机（如图 f 所示），可以通过励磁调节器，调节发电机端口电 压不随风速的波动变化。 根据风机转速的不同，风力发电技术可分为恒频/恒速和恒频/变速两种。固定速风力发电系统中 （如图 4- a、b 所示），发电机直接与电网相连，采用变桨距控制或者失速控制维持发电机转速恒定。 固定速风机结构简单，成本低，但风速的改变通常会使风机偏离最佳运行转速，降低了运行效率。恒 频/变速风机中，根据风速的状况实时地调节发电机的转速，保证发电机向电网输出频率恒定的电磁 功率，同时使风力机运行在最佳叶尖速比附近，优化风机的运行效率。

　　ref 电网侧逆变器的控制目标是维持直流侧电压 U dc 等于参考电压 U dc ， 同时控制逆变器与电网之间

　　交换的无功功率为零，采用如图 4- 所示的双闭环控制器，包括外环电压控制和内环电流控制。控制 器采用与电网电压相量同相位和旋转速度的坐标系，换流器电流被分解为两个正交分量，其中 d 轴对

　　的冲击电流，对于一些大型的兆瓦级风力发电机，机组并网时过大的冲击电流对发电机自身部件的安 全和电网的影响不能忽视。 风力机驱动异步发电机直接并网是小型风力发电系统中普遍采用的方式。异步发电机并网时，对 机组的调速精度要求相对较低，并网后不会产生震荡失步，但仍要求转速接近同步转速（90%-100%） 时进行并网操作。主要的并网方法有直接并网、准同期并网、软并网和降压并网。直接并网是当发电 基转速接近同步速时，通过合闸操作完成并网，这种方式的冲击电流最大，只适合于小型机组并网； 准同期并网是当电机转速接近同步速时，通过调整发电机端电容进行电压调节和校正，满足并网条件 时并网，这种方式冲击电流最小，但需要调速器和同步设备，成本高，且调节时间长；降压并网是指 在发电机与电网之间串联电抗器，减小冲击电流和电网电压下降的幅度，由于电抗器消耗功率，需要 在并网后将其切除；软并网技术是指并网过程中控制双向晶闸管的触发角由 0 到 180 度逐渐增大，当 异步发电机的滑差接近零时，并网开关动作，晶闸管被短接，同时并入电容器，提高发电机的功率因 数，软并网法是目前国内外异步发电机并网普遍采用的技术。

　　（3）恒频/变速控制 恒频/变速技术的发展主要依赖于大容量电力电子技术的成熟，其中，按照结构和运行方式的不 同可分为有限变速和全变速两种。有限变速是通过改造发电机本身的结构而实现变速恒频，使用的法 电机有双馈异步发电机、滑差可调异步发电机等。 全变速的概念是将发电机定子绕组接交-直-交换流器后并网运行。 交流发电机可以采用多极永磁 同步发电机、硅整流励磁同步发电机和异步发电机等。控制发电机侧整流器的输入功率，即发电机的 输出电磁功率，调整发电机转速（风机转速），实现最大风能追踪控制，控制电网侧逆变器输出恒定 基频的交流电。这种方式的主要缺点是电力电子变换器安装于系统的主回路，容量大，成本和维护费 用高，而且还会产生高频电流分量注入电网，但是在中、大型风力发电系统中所占风力发电系统的总 成本比例并不大，是目前正在发展的技术之一。 大部分时间里，风电场的风速低于额定风速，恒频/变速风力机定桨距运行，通过控制发电机转 速调节风力机的叶尖速比，追踪最佳功率曲线；在额定风速以上时风力机变桨距运行，通过调节桨距 角降低风能转换效率，防止风力机超出转速极限和功率极限运行。 1） 全变速控制 交-直-交电压源换流器具有能量利用充分，效率高等优点，而且可以在硬件结构不变的情况下灵 活地对整流和逆变两个模块采取不同的控制策略。 并网换流器的选择不仅需要充分考虑发电机的类型 和风机控制的需求，还需要考虑换流器的功率损耗和成本。 表 4- 给出了几种交-直-交换流器的设计电路。其中，换流器中的晶体管可以是不可控器件（如 二极管），半可控器件（如能控制导通不能控制关断的晶闸管）和全控型器件（如 IGBT）。整流器 可以采用基于 PWM 调制的全控型整流电路，也可以采用由二极管或者晶闸管组成的整流电路（二极管 只能用于整流电路）。逆变器可以采用全控型逆变电路，也可以采用由晶闸管组成的逆变电路。逆变 器的换相方式有电网换相和自换相两种，如果是由半可控器件组成的电网换相逆变电路，附加换相器 件（如换相电容）后也可以实现自换相。相对自换相方式，电网换相电路设计相对简单，价格便宜， 但输出电流的谐波分量较大。 表 4发电机类型 技术特点 整流/逆变换流器 开关器件 二极管、 半控晶闸 二极管整流/电网换相 管 永磁同步电 机 转子为永磁式设计 无滑环和外部励磁 晶闸管整流/电网换相 二极管整流/PWM 逆变电路 半控晶闸管 二极管、 全控型器 触发角控制 PWM 调制 触发角控制 控制策略

　　conv 固定桨距角保持恒定的最优值  opt ，速度控制器向电机控制系统发出有功指令 Pgrid ,ref ，调节发电机

　　转速。当风速达到额定风速时，发电机的输出功率达到额定值。当风速在额定风速以上，风速处于不 断的短时上升和下降时，由于速度控制器的动作时间比变桨距机构的动作时间要快，因此仅仅借助转 速控制器就可以实现维持发电机转速和输出功率恒定。此时如果出现强阵风，风机转速和发电机转速 升高，速度控制器会相应提高输出功率指令，如果风速下降，速度控制器也会相应减少功率指令。当 风速持续超过额定风速，此时桨距控制器就会动作，加大风机的失速效应，同时速度控制器控制风机 转速在额定转速附近旋转。 分别用图 4- 所示的两个稳态曲线来说明风机速度控制器的控制策略。其中，图 a 的横坐标表示 风速，纵坐标对应不同风速下风机理论最大输出的机械功率；图 b 的横坐标表示发电机转速，纵坐标 表示发电机的电磁功率。速度控制器结构如图 4-24 所示，根据发电机向电网输出的有功功率 Pgrid 和 发电机转速  gen ，利用图 b 的稳态特性曲线向双馈感应电机的控制系统发出有功指令 Pgrid

　　图 4- 逆变器电压跟踪并网 （2）恒频/恒速控制 如图 4- 所示， 风力机通过升速齿轮箱驱动异步电机直接并网， 发电机的转子速度高于同步转速。 当风力机的机械功率随风速增加而增大时， 发电机的输出功率也相应增大， 如果转子速持续超过 3%-5% 的同步速，使异步发电机运行不稳定，有可能导致飞车，因此需要采用桨距调节并结合叶片的失速效 应保持风轮和异步电机的转速恒定。使用软启动的方式减少异步电机启动过程中的涌流，同时在电网 侧安装并联电容器组补偿异步发电机消耗的无功功率。

　　改动 另外一种控制策略是直接控制逆变器输出电流。 根据风机的最佳功率曲线， 对应每个发电机转速， 风力机有最佳输出功率，去掉功率损耗（发电机的机械损耗、发电损耗和换流器损耗），就可得到发 电机应馈入电网的有功功率指令 Pref，不考虑直流母线电压和电流，直接控制逆变器输出电网的电

　　流，跟踪该功率指令，就能实现对发电机转速控制，从而保持风机具有最优叶尖速比。控制器结构如 图 4- 所示，逆变器采用双环控制，外环为功率控制环，内环为电流跟踪环，控制输出电流的频率、 幅值和相位，根据电网电压频率确定逆变器流入电网的电流频率，根据有功、无功电流指令确定电流 的幅值和相位，这样就可以在获得最大功率的同时，满足电网对功率因数的要求。

　　图 修改（六相改为三相） 升压斩波电路的恒压输出控制采用双闭环设计，控制结构如图 4- 所示。u1，u2 分别为实际和给 定的直流母线电压，外部电压环将两个电压比较后，差值经过 PI 控制器和限幅环节，输出流经升压 电抗器的电流指令，内环控制将该电流与实际电流比较后，误差经 PI 控制器和限幅环节后输出 PWM 调制信号。

　　绕线式结构， 二极管整流/斩波电路/PWM 转子上有励磁绕组和阻尼 逆变电路 同步发电机 （kW-MW） 绕组，有滑环，结构复杂 多极低速同步电机， PWM 整流电路/PWM 逆变电路 极对数较多，转子直径大 全控型器件 PWM 调制 件 PWM 调制 二极管、 全控型器 直流电压控制

　　图 4- (a)中系统中发电机采用永磁同步电机，整流器采用二极管整流电路，逆变器采用电网换 相电路。这种设计省去了一个可控整流环节，降低了成本，减轻了控制方法的复杂性，适合于小型风 力发电系统，缺点是不能直接进行发电机转速调节，控制响应速度慢，而且不可控整流电流会造成发 电机定子电流的谐波分量较大， 增大了电机的损耗和转矩脉动； 电网换相逆变电路输出谐波分量较大， 因此需要在交流侧安装具有无功补偿功能的有源滤波器。

　　风速变化时，风力机与发电机转速增加或者减少，异步发电机的滑差率 S 的绝对值也增大或者减 小。滑差可调绕线式异步发电机，通过由电力电子器件组成的功率控制系统，调整绕线转子回路中的 串联电阻值，保持

　　r2 的值不变，则输出的电磁转矩和功率不变。控制系统结构如图 4- 所示，通常以 s

　　转子电流的有功分量作为控制目标，维持该电流不变，则电磁转矩 M 基本不变。主要的控制策略是： 低风速下将发电机滑差调整到最小， 同时通过桨距控制环节调整叶片攻角至零； 当风速等于额定风速， 处于短时波动时，调整绕线转子回路中的串联电阻值来维持转子电流不变，即可维持

　　输水平，图 4- 中的每台风力机的交-直-交换流器中安装有前级 DC/DC 升压电路，这种风电场设计中 可以选择不同容量和类型的风力机组，且运行在各自的最佳功率曲线上，提高了整个风电场的风能转 换效率。

　　图 4- 变桨距恒频/恒速风力发电系统 该系统的功率控制通过变桨距机构实现，采用低风速下追求 C p 最优，进入高风速时限制输出功 率的控制策略。控制系统结构如图 4- 所示，由功率控制、控制模式切换开关、江南体育逻辑控制和伺服系统 四部分组成。

　　图 4- 恒频/恒速控制系统 利用风速计测量风速，当风速小于正常风速时，风机的输出功率小于额定功率，此时模式切换开 关调整到优化控制模式，调整桨距角获得最佳的转换效率 C p 。桨距角和 C p 在不同风速下的对应关 系入图 4- 所示，可以储存在数据表中以供使用。

　　图 4- 风力发电机的运行模式 对于某个特定的风力机，最佳功率曲线是确定的，要追踪该曲线，实现最大风能跟踪控制，必须 根据风速的变化及时调整发电机转速，保持最佳的叶尖速度比。发电机转速调节的性能决定了最大风 能追踪的效果。 发电机调速可由风力机完成，也可以由发电机完成。然而采用风力机控制系统进行调速，机械时 间常数大，动态性能差，调速精度低，机械调速机构复杂，维护困难。而发电机的控制对象是电磁功 率，属于电气量，具有控制动作时间常数小，动态响应快，控制系统简单的优点。 2．风力机控制 （1）偏航控制 由于风的速度和方向经常发生变化，现代风机普遍安装对风装置跟踪风向的变化，保持叶片与风 向垂直。图 4- 为广泛用于小型风力发电机的尾舵控制，当风向发生变化时，斜向风作用在尾舵和转 轴上的偏力矩推动风轮随风向转动。这种装置设计简单，但结构笨重，很少用于中、大型风力机上。 图 4- 是在机舱的一侧安装小风轮，旋转轴与风机主轴垂直，如果风机没有对准风向，侧风轮产生偏 向力矩，推动风机旋转。这种机构在早期的中型风力发电机中得到广泛应用，但是考虑到成本因素， 目前已很少使用应用。图 4- 为大型风力发电机中对风装置的示意图，风向传感器测定风向，通过控 制软件按风向确定偏航方向和偏航角度， 将偏航信号放大传送给马达， 通过减速机构转动风力机平台， 直到风机重新对准风向。

　　维护简单 二极管整流/斩波电路/PWM 逆变电路 PWM 整流电路/PWM 逆变电路

　　件 二极管、 全控型器 件 全控型器件 直流电压控制 PWM 调制 PWM 调制

　　笼型转子，无滑环 异步发电机 转子绕线式，有滑环， （kW-MW） 结构较复杂 PWM 整流电路/PWM 逆变电路 全控型器件 PWM 调制

　　图 4- 永磁同步发电机交-直-交并网装置 图(b)中的逆变器采用自换相电路，通过控制逆变器的输出电流的幅值和相角，调节向电网输出 的有功和无功功率，从而调节发电机的电磁转矩和转速，实现最大风能追踪控制。逆变器的控制策略

　　有多种选择，一种是以直流电压为控制目标的无速度检测器控制方案，当风力场环境和选用的永磁同 步发电机确定后，可以根据风场特性和发电机的特性，得到如图 4- 所示的直流母线电压对应转速的 特性曲线。当发电机转速上升时候，直流母线电压上升，功率上升，输出电流变大，直流母线电压相 对转速的比率下降，因此利用直流母线电压就可以简单的实现转速观测。

　　风速持续超过额定风速时，桨距控制使变桨距机构动作，改变风机叶片功角，加强失速效应。

　　图 滑差可调异步发电机控制原理图 5、风力发电场 风力发电目前正逐步向着规模化和产业化发展，大型并网风力发电场成为目前风力发电的主流。 由于风能存在着不可控性、波动性、间歇性和难以预测性，风电场的并网运行对电网电能质量、安全 稳定的影响随着发电容量的增大愈加显著。 风力机输出功率的波动和风力机的频繁启停都会使电网频率、电压在一定范围内波动，此外如果 电力电子控制装置设计不当，将会向电网注入谐波电流，引起电压发生不可接受的畸变；当电网发生 严重故障时，出于保护风力机组的目的通常将整个风电场从电网中切除，随着风电场在电网中发电比 例的增大，切除风机对电网的冲击将非常显著，甚至威胁到系统的稳定运行。 风电场设计中，需要尽量减小其对电网安全性和稳定性的影响，风电场接入电网的方式有多种。 如图 4- 所示，升压变压器安装在风力机的内部，风力机采用带有桨距调解机构的异步发电机，机组 之间组成一定的网络。在交流母线处安装静止无功补偿器进行集中补偿和母线电压控制。由于将风电 机组直接接入电网，这种方式并不能有效地抑制注入到电网的电流谐波分量。如果风力机组采用双馈 异步电机，通过变频器调节发电机转速以捕捉最大风能，同时控制与电网交换的无功功率，但是变频 器的容量通常只占发电机额定容量的 20-30%，因此仍需要安装补偿设备（如静止无功补偿器）控制 母线电压，满足系统运行的需要。 AC-AC 是目前绝大多数风电场普遍采用的连接方式，如图 4- 所示，各风力发电机组分别铺设电 缆接到交流母线上，通过交-交变频器和升压变压器接入电网。如果是离岸比较近的海上风力发电场， 可以建设海上平台安装交-交变频器、升压变压器和无功补偿设备。 对于传输距离比较长的离岸型海上风力发电机组，可以采用轻型直流输电方式，风电场结构如图 4- 所示，采用 DC/DC 斩波电路取代升压变压器，使其电压达到传输水平，经过直流传输后统一逆变 为交流电接入电网，整流和逆变可以分别采用电压源型换流器，代替传统高压直流输电中的晶闸管换 流装置。这种单级升压结构只适用于小型风电场，大型风电场需要两极升压才能把直流电压升高到传

　　图 4- 无刷双馈异步电机 滑差可调异步发电机的基本控制思想是利用电力电子变换器改变异步电机外部的转子电阻， 使转 差率有大约 10%的调节范围，从而控制系统的输出功率。由异步发电机的原理可知，江南体育忽略定子绕组电 阻损耗和附加损耗时，异步发电机的输出功率 P 可以表示为：

　　式中，p 为定子及转子极对数；m 为电机相数，U 为定子绕组相电压；r1 和 x1 为定子绕组电阻及漏抗，

　　图 4- 升压斩波电路控制 如果将图 4- 中的发电机改为同步发电机，通过励磁调节器可以在不同风速稳定直流电压，逆变 器采用相类似的控制策略控制发电机转速。如果采用图 4- 中的“二极管整流-升压斩波-PWM 逆变” 换流电路，则可以在前级升压斩波电路中控制流经电抗器的电流（控制结构如图 4- 所示），从而调 节发电机的电磁转矩和转速，实现最大风能追踪控制，逆变器采用基于 SVPWM 的矢量控制方法，起到 了稳定直流母线电压和调节功率因数的作用。

　　图 4逆变器采用双环控制，控制结构如图 4-所示，外环是功率环，内环为电流跟踪控制。外环检测 直流母线- 所示的转速-电压特性曲线观测出发电机的转速，根据风机的特性曲线， 确定出该转速下的最优输出有功功率指令 Pref， 进而根据三相电网电压信号计算出有功电流指令 Iq， 无功电流指令 Id 可以根据电网运行的需要给出。电流跟踪控制方法比较多，如滞环比较和瞬时比较 法等。

　　图 4- 改成与双馈电机控制示意图相类似的结构 2）有限变速 双馈异步电机的结构类似绕线式鼠笼形异步发电机，定子绕组直接接入电网，采用变频器调节转 子绕组励磁电流的频率、幅值、相位和相序来实现恒频/变速控制。为了获得较好的输出电压和电流 波形，变频器的输出频率一般不超过输入频率的 1/3。当转子绕组中通过三相低频电流时，转子中形 成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度（ n f ）与转子机械转速（ nrot ）相叠加，使其等于定子的 同步转速 n1 ，即 nrot  n f  n1 ，从而在发电机定子绕组中感应出相应于同步转速的工频电压。当转 速 nrot 变化时，相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度 n f ，以补偿电机转速的变化，保持异步电 机的输出频率恒定不变。 系统中所采用的循环变流器是一种将工频交流电变换成另一种较低频率的电力电子变换装置， 主 要类型有交-直-交电压型强迫换流变频器、交－交循环变频器、交-交矩阵式变频器和双 PWM 脉宽调 制的交-直-交变频器。强迫换流变频器产生的转子电流为方波，使电机内产生低次谐波转矩。交-交 变频器只有一次变流，变流效率高，但使用的晶闸管较多，接线复杂，而且受电网频率和变流电路脉 波束的限制，输出频率较低，转子电流中的谐波分量较多。相对前三种变频器，双 PWM 脉宽调制是一 种得到广泛使用的成熟技术，可以获得正弦转子电流，同时整流电路通过 PWM 调制可以实现功率因数 调节。 双馈异步电机可以超同步运行（转子旋转磁场方向与机械旋转方向相反， n f 为负），也可以次 同步速运行（转子旋转磁场方向与机械旋转方向相同， n f 为正）。如图 4- 所示，超同步运行时，除 定子向电网馈送电力外， 转子也向电网馈送一部分电力； 次同步运行时， 定子向电网馈送电力的同时，

　　图 4当风速在正常风速和关停风速之间时，风机的输出功率超过额定功率，模式切换开关切换到功率 控制模式，调整桨距角以增强失速效应，维持输出功率在额定功率。由于风速在高风速时有很强的波 动，江南体育如果风机的输出功率低于额定功率，桨距角则朝着减少失速效应影响的方向改变。功率控制器采 用带有 Anti-Windup 设计的 PI 控制器，有效减少控制模式切换时控制器输出与实际桨距角  不等引 起的系统闭环响应变差现象。 逻辑控制的主要功能是比较新的指令信号  sp 与和桨距角  的采样信号，只有  sp 与采样信号不 同，并持续一段时间后，新的指令信号  sp 才能够传递给伺服系统，减少了桨距调节机构的大幅度频 繁动作。 两种控制模式之间的切换取决于实际风机的运行状态，为了避免桨距角出现较大的偏差，控制模 式切换时应同时满足两个条件：风机的输出功率是否大于额定功率；风速是否大于额定风速。通过变 桨距控制，风机的输出功率偏差可以维持在 1-2%之内。

　　图 4- 风能转换示意图 现代风机的转换效率基本维持在贝兹极限效率（59.3%）的 40%-50%之内。这是由于 C p ( ,  ) 不 仅与桨距角有关，还与风机的转速有关。如果风机转速过小，较多的风会穿过叶片，而没有推动叶片 旋转。如果转速过快，高速旋转叶片引起风的湍流现象同样会减小转换效率。图 4- 给出了不同风速 下的 C p -  曲线，随着桨距角  的增大，C p 曲线整体减小；在某一风速下，如果能够调整风机转速，

　　由式（4-21）、（4-22），双馈电机的转矩和定子侧有功功率可以通过转子电流的转矩分量 irq 控 制，而定子侧的无功功率可以通过转子电流的励磁分量 ird 控制。控制结构如图 4- 所示，外环功率控

　　图 4- 改为 PWM 调制整流器的电流跟踪控制 使用双 PWM 换流电路的风力发电机并网运行时，发电机可以是同步电机，异步电机或者永磁同步 电机，其中鼠笼式异步电机不需要滑环，具有结构简单，维护量小，可靠性高的优点，但定子侧整流 器的容量通常取发电机额定容量的 130-150%，用于向电机提供励磁电流。 整流器采用基于 SVPWM 的矢量控制方法， 矢量控制需要把坐标系中的 d 轴和某一个电磁量的合成 矢量相重合，该合成矢量称为定向矢量。可以选择的定向矢量有定子磁链、气隙磁链、转子磁链、定 子电流和转子电流矢量等，电机控制中常采用定子磁链矢量和气隙磁链矢量。双 PWM 控制系统结构如 图 4- 所示， 发电机采用永磁同步电机， 定子侧 PWM 整流器根据有功功率指令 Pref 控制 q 轴电流分量， 进而控制发电机电磁转矩和转速，使风机以接近最大 C p 值运行；设定 d 轴电流指令为零，从而以最 小的电流获得最大的电磁转矩；逆变器起稳定中间直流电压的作用，同时根据功率因数的要求控制输 出无功功率。 （不同电机的定向矢量控制的基本思路相同， 只是电机模型不同， 这里不知是否需要一一阐述。 ）

　　ref 应有功分量，q 轴对应无功分量。外部电压环根据 U dc 和 U dc 的偏差输出内部电流环控制的参考电流

　　（b）风力机直接驱动同步电机 (a) 风力机直接驱动异步电机 直接并网 直接并网

　　(h)风力机驱动永磁同步发电机 (g)风力机驱动双馈异步电机 间接并网 4、风力发电系统的并网控制 （1）并网控制 按照风力发电机的并网类型可分为直接并网和通过换流器的并网两种。 发电机并网之前必须满足 并网运行的条件，即发电机定子电压和电网电压的幅值、频率、相位相同。否则，在并网时产生较大 间接并网

　　其中，  表示空气密度，R 表示叶片的旋转半径，u 表示风速， 表示桨距角，  表示叶尖速比，

　　 M 是风机的旋转速度，如果使用增速比为 N 的增速齿轮箱驱动发电机，发电机转速与风机转速关系

　　图 4- 桨距调节 然而实际中，风速的变化范围很大，特别在强风速下风速的变化非常快，风力机的输出功率波动 也要比正常风速时大，因此仅通过失速控制很难维持发电机的输出功率恒定。此外，失速控制方式主 要依赖于叶片独特的结构，随着叶片加长，成型工业难度也相应加大。为了提高不同风速下的转换效 率，保证风机的输出功率更为平稳，需要进行桨距调节。如图 4- 所示，利用安装在轮毂上的液压调 节机构转动叶片进行桨距角调节,当风速低于额定风速时，桨距角向迎风面积减小的方向转动一个角 度，相当于增大桨距角，减小叶片攻角，发电机的输出功率也相应增大，从而实现更高的转换效率； 当风速超过额定风速时，减小桨距角，相应的叶片功角增大，限制输出功率。由图 4- 可以看出，相 比定桨距风机，变桨距风机的恒功率特性较好，但缺点是调节机构和控制系统复杂，造价和维护费用 高，一般用于大型风力发电机中。

　　图 4- 桨距控制（改改，增益反馈环节？） 速度控制器和桨距控制器都不需要测量风速， 仅以发电机的转速和发电机输出的有功功率作为输 入信号，这是因为选择实际的风速作为控制信号存在一定的技术难度。 双馈异步电机的控制系统根据有功功率指令有功指令 Pgrid

　　图 4- 逆变器控制 相比全变速概念，双馈异步电机使用的换流器容量只占整个系统容量的 20-30%，减小了整个系

　　统的成本，缺点是需要定期维护滑环。无刷双馈异步电机没有电刷和滑环，系统维护率低，还可实现 发电机的低速运转。如图 4- 所示，采用双极定子和嵌套耦合的笼型转子，定子类似单绕组双速感应 电机的定子，有六个出线端，其中三个直接与三相电网相联，其余三个则通过电力变流装置与电网相 联。前三个端子输出的电频率与电网频率相同，后三个端子输入或输出的电频率相当于转差率，需要 通过电力变换装置变换成与电网相同的频率和电压后再并入电网。

　　需要向转子馈入部分电力；同步运行时： nrot  n1 ，滑差频率 s  (n1  nrot ) / n1 ，表明此时通入转子 绕组的电流的频率为零，江南体育亦即直流电流，与普通同步发电机一样。

　　图 4- 双馈异步电动机的运行模式 使用双馈异步电机的风机控制系统结构如图 4- 所示，整个控制系统包含风机控制和双馈感应电 机控制两层控制系统。风机控制由两个子系统组成：速度控制器和桨距控制器，双馈感应电机控制也 包含有两个控制子系统：电网侧整流器控制和转子侧逆变器控制。其中，由风机速度控制器向转子侧 逆变器发出有功功率指令 Pgrid