簡介
目前變速式風電機組已成為主流機型，在運行過程中面臨的問題如低電壓穿越、功率最佳化及電能質量等，受到國內、外學者的廣泛關注。然而一般大型變速式風電機組價格昂貴，給科研人員在實驗室內進行試驗、研究帶來了極大困難。研究人員通過電動機可有效模擬風力機風輪轉矩氣動特性，但由於機組機械系統中傳動鏈、發電機轉矩變化及變槳執行機構回響直接影響風輪轉矩輸出，因此有必要研究風機模擬系統，為研究風電技術提供新途徑。
近幾年部分學者對風電機組模擬控制開展了一定的研究。採用開關磁阻電機實現了風力機模擬，通過轉速調節模擬風力機輸出功率，缺少對風力機轉矩特性的模擬與分析。設計了基於RT － lab 的無刷直流電機硬體在環模擬系統，利用電動機模擬了風力機轉矩特性，沒有研究實際發電機併網後的情況。基於矢量控制利用感應電動機模擬風力機，分析了風力機的靜態特性與動態特性。但沒有研究併網後發電機轉矩和槳距角變化對風輪氣動轉矩的影響。在不同風速、負載等條件下進行模擬，對模擬系統作了一定簡化，控制系統迴路中引入了微分運算元，易造成系統不穩定。對比分析了風力機靜態與動態模擬方法的風力機轉矩特性，沒有考慮風機變槳系統。設計負載轉矩觀測器實現風力機模擬，利用負載轉矩和風力機轉矩共同覺得模擬電機的轉矩參考值，但沒有包含發電機轉速、轉矩等控制算法。針對以上模擬控制方法存在的不足，基於轉矩觀測器通過用電動機模擬風力機轉矩特性。考慮槳葉機械執行機構回響時間慢，並設計變槳系統。研究了發電機轉矩控制器，實現發電機最優轉速控制，分析了機組起動到脫網過程。最後分別對永磁、雙饋風力發電機進行仿真與試驗，驗證了所提控制策略的有效性 。
風力機系統模型
為實現併網型風電機組風力機模擬控制，必須考慮發電系統反饋轉速、功率對風力機轉矩的影響，變槳系統對風輪吸收風能的多少至關重要，因此需建立由風輪模擬系統、發電系統及變槳系統組成的風電系統。
發電系統控制策略
1 基於變增益的速度控制
由於採用拖動電機及電力電子裝置模擬風輪轉矩特性，系統具有一定的滯後性。另外，在機組起動併網後且槳葉尚在開槳階段時，發電機轉速同時受槳距和轉矩控制器二者約束。槳距控制器根據轉速偏差改變槳距角指令，轉矩控制器根據轉速偏差改變轉矩指令，對轉速實施耦合控制。為提高系統回響能力，使機組槳葉儘快達到目標位置吸收較大功率，提出基於變增益速度控制，實現最優轉速與最大風能跟蹤控制。在起動過程中槳距控制優先於轉矩控制，使機組轉速大幅度爬升。當槳葉達到目標位置後，轉矩控制優先於槳距控制，此後槳距控制主要控制機組額定功率。
2 併網控制
永磁與雙饋風力發電機因其結構、特性不同，轉矩控制算法也不同。永磁風力發電機勵磁電流一般設為常值零，雙饋風力發電機轉子勵磁電流隨轉速變化。對採用矢量控制的永磁、雙饋風力發電機模擬控制進行驗證。
風機達到併網轉速，網側變流器完成電容充電合閘，機側變流器開始動態調節勵磁電流。對於永磁風力發電機，變流器直接調節轉矩電流向電網發電。對於雙饋風力發電機，轉子勵磁電流使發電機定子產生電壓，檢測定子電壓滿足併網要求後閉合併網開關，且調節轉矩電流向電網發電。若未達到併網要求，轉速被變槳系統維持在併網轉速以下。當風電機組完成併網後，主控系統根據反饋電磁轉矩與轉速得出變流器轉矩參考值，此階段主要模擬風輪、發電機及變槳系統。
併網後機組發出功率，負荷增加，風輪轉矩增加且隨風功率變化。當達到額定風速後，變槳系統將發電功率保持在額定功率以下。當風速低於起動風速時，發電機給定轉矩降為零，變流器與電網斷開，槳葉處於關槳階段。
3 低電壓穿越控制
為驗證所提出併網型風電機組風力機模擬控制算法的有效性，在電網電壓跌落情況下，採用永磁風力發電機進行仿真分析，實現其低電壓穿越功能。由於電網電壓跌落，導致變流器母線電壓驟升，向電網輸出電流增大。傳統低電壓穿越控制策略為定子及直流母線迴路增加額外迴路或者增大變流器過流、過壓能力，增加了機組成本。為此提出機側變流器與變槳改進控制策略，完善風力發電系統模擬控制算法進行完善。
當低電壓故障持續到超過允許時間625ms沒有回升時，風電機組需完全退出運行，直流母線電容並聯卸荷電路維持2～3s時間。
電網卸荷電路在母線電壓超出規定值時使用，相比單純的耗能電路而言，結構簡單，能耗較小，不需要考慮較多成本與散熱難題。卸荷電路由電阻和IGBT組成，其阻值大小表征機組可承受穿越功率的能力。
通過對永磁風力發電機模擬控制策略建模，進行低電壓穿越仿真，永磁風力發電系統參數:齒輪箱變比i 為1;風輪槳葉數3;槳葉半徑62.94m;風輪轉速0～20r/min;額定風速12m/s;電動機額定功率15kW;電動機額定電壓400V;電動機額定電流30A;電動機額定頻率51Hz;電動機額定轉速1500r/min;永磁發電機額定功率10kW;發電機定子額定電壓380V;發電機定子額定電流30A;發電機額定頻率50Hz;發電機額定轉速110r/min;發電機定子電阻0.9Ω;發電機直軸電抗4.2Ω;發電機交軸電抗16.6Ω;直流母線電壓580V。仿真時間為1s，在0.03s時電網電壓跌落至20%，跌落時間為625ms。電網電壓跌落瞬間，母線電壓增大，發電機功率立即由10kW減小至2 kW左右。隨後由於功率有效減少，母線電壓逐漸恢復平穩。在0.655s時恢復電網電壓正常，功率也跟隨恢復正常值，由於功率變化率較大，導致母線電壓出現波動。基於風力機模擬控制策略實現了永磁風力發電機低電壓穿越功能 。
試驗驗證
為進一步驗證所提併網型風電機組風輪模擬控制算法對雙饋風力發電機的有效性和真實性，研製了一套10 kW 雙饋風力發電機模型機組試驗平台，具備兆瓦級風電機組的基本功能。在模型機組中，採用電動機直接拖動發電機，並通過齒輪帶動輪轂。
併網型風電機組模擬控制策略
感應電動機由變頻器控制，雙饋發電機由基於矢量控制的雙PWM 變流器控制。輪轂內採用伺服電機驅動槳葉開、關槳。
主控系統調用由美國可再生能源實驗室開發FAST 軟體生成的湍流風速，使風輪模擬系統吸收風能，雙饋風力發電機組起動。達到併網轉速時，發電機投入勵磁電流進入併網狀態。通過計算得出風輪轉矩，由拖動電機模擬並驅動發電機，給定變流器功率因數為1.0.
模型機組在約3s時開始併入電網。隨著槳距角不斷增大，模型機組吸收的模擬風功率不斷增大，發電機轉矩增加，發電機功率與模擬的風輪轉矩增大，同時，槳距角開槳至0°。儘管風速變化波動很大，拖動系統中模擬的風輪轉矩變化趨勢較為平滑。隨著Cp值不斷增大，在機組起動開槳階段，轉速受槳葉控制因素較多，處於迅速上升階段。當正常運行後，槳葉位置較為穩定，轉速受發電系統轉矩控制，處於穩定變化範圍內。
風能利用係數Cp值在25s左右突然變化，使風力機轉速與轉矩波動。從30s之後Cp值逐步穩定，機組也逐步穩定。為了進一步驗證電動機的轉矩模擬特性，在上述模型機併網試驗情況較穩定後記錄了80s的電動機相關數據。
在風速變化較大的情況下，通過模型機組拖動系統控制，電動機所模擬風輪轉矩受風速大小等參數影響，轉矩波動情況與實際基本一致，達到了預期試驗效果。對電動機轉矩偏差進行PI控制，計算得出轉矩電流參考值，由轉矩電流偏差經過電流調節器，控制電動機輸出轉矩。試驗結果表明電流實際值較穩定跟蹤參考值變化，且與實際轉矩變化波形基本一致，轉矩動態調節回響較快。
總結
1) 通過跟蹤最優轉速方法實現最大風能跟蹤，並分別針對永磁與雙饋兩種風力發電機進行了仿真與試驗，驗證了風電機組模擬控制策略的正確性，並對其進行了完善。對風輪模擬採用轉矩控制，實現了更加準確地模擬風輪轉矩特性。試驗結果表明可以通過最優轉速跟蹤保證轉風力機矩特性更加穩定。
2) 併網前風機轉速受槳距角約束，風力機轉矩較小。併網後在開槳階段轉速上升，轉矩控制器與變槳控制器同時對轉速實施耦合控制。通過所提基於變增益PI 的轉速控制算法，實現對轉速的優先控制，使槳葉快速到達目標位置，提高機組效率 。
