1引言

近年來，我國風電裝機容量保持高速增長，其中風電機組可以分成兩大類：恒速恒頻機組(constantspeedconstantfrequency，cscf)和變速恒頻機組(variablespeedconstantfrequency，vscf)。vscf機組允許風力機根據風速的變化調整發電機的轉速，這種柔性控制策略可吸收陣風能量，減少機械應力，同時風力機可以最大限度地捕獲能量，提高風能利用率，這些優點都是cscf機組無法比擬的，因而vscf技術是當前國內外風力發電領域的研究熱點。

vscf機組主要有雙饋感應異步發電機組(doublyfedinductiongenerator，dfig)和直驅永磁同步發電機組(direct-drivenpermanentmagnetsynchronousgenerator，d-pmsg)，其中有刷雙饋發電機組是其主流機組，通常采用高速電機，需要變速齒輪箱進行增速，同時電機存在碳刷和滑環，導致系統結構復雜，維護不便。而d-pmsg省去齒輪箱，減少機械傳動部件和維修費用，增加了系統的可靠性和整體效率，同時機組采用全功率變換器，增加系統應對電網故障的能力，所以可以預測d-pmsg將成為未來風力發電的主流。

2風力機建模及其特性模擬

風力機的種類繁多，但按照風力機軸的方向可分為水平軸風力發電機組和垂直軸風力發電機組，在商業運行中風電系統多采用水平軸風力機。

目前風力機建模主要有基于葉素理論和基于流體能量轉換理論兩種方法。葉素理論將葉片分為若干個微元（葉素），通過對葉素的受力分析求得微元轉矩，再將所有微元轉矩相加得到風力機總的輸出轉矩；基于流體能量轉換理論是通過風力機空氣動力學公式以及設計參數求得風能利用系數，再根據風能捕獲公式得到風力機輸出功率。以上是針對風力機靜態特性的模擬分析，但在實際系統中風力機還存在動態特性，主要包括塔影效應和剪切效應，這兩種效應會造成轉矩的脈動，所以要想精確地反映風力機輸出轉矩，就必須在建模過程中考慮風力機的動態特性。

風速模型是風力機模擬系統中的重要組成部分，風速模型決定風力機模擬過程的動態特性，因此建立可靠的風速模型是必要的。目前國內、外許多專家對風速模型進行了研究，比如：采用weibull分布建立風速模型，并與指數分布相結合形成四對數混合模型；利用風速的湍流效應，在平均風速分量上疊加湍流分量建立風速模型，湍流分量求解則根據隨機過程理論，利用風速功率譜和相干函數，求出風速的傅立葉譜，進行傅立葉逆變換求得；從功率譜密度出發建立風速模型，采用自回歸滑動平均模型（autoregressivemovingaverage，arma）建立了滿足一定功率譜密度特性的風速模型。這些模型由于考慮的影響因素比較多，模型過于復雜，并且有些參數獲取比較困難，所以在實驗室中可采用由基本風、陣風、漸變風和隨機風組合而成的四分量風速模型，這種模型簡單，物理意義明確，實用性比較強。

風力機模擬系統中原動機通常采用直流電動機或異步電動機。直流電機控制系統主要采用直流脈寬調制技術，根據計算所得的最佳轉矩，控制直流電機穩定運行在風力機特性曲線中的最佳轉矩點；異步電機風力機模擬系統主要采用矢量控制技術，對已解耦的轉矩分量控制完成控制，實現風力機的模擬，但也有采用直接轉矩控制策略實現異步電機的靈活控制。

3d-pmsg的拓撲結構

d-pmsg采用全功率變換器，根據風力機容量的不同，變換器一般可分成低壓系統和中壓系統兩類。低壓系統的電網電壓等級在690v以下，多采用兩電平結構；中壓系統中電網電壓等級在690v以上，采用多電平結構。目前，風力發電機的電壓水平通常在690v。

采用背靠背的雙pwm變換器拓撲結構，機側變換器通過控制電機的轉速從而實現最大功率點跟蹤(mppt)，網側變換器穩定直流母線電壓以及調節網側的有功功率和無功功率。變換器的解耦控制可靈活實現電機轉矩、效率控制，提高系統運行特性。這種結構控制復雜，大功率igbt數量多，系統成本偏高，但很好地提高了系統性能，具有一定的應用前景。國內合肥陽光電源有限公司生產型號為wg2000kfp的2兆瓦全功率變換器即采用這種結構。

對于變換器并聯運行，可在不增加變換器電壓等級情況下，增加系統的電流容量，將一個大容量變換器分解為幾個較小容量的變換器來實現。通常有兩種方法，一種是將直驅永磁風力發電機的多相繞組分別接到幾個小容量的變換器上，各變換器在電網側進行并聯，在網側經升壓變壓器連接到電網，另外一種是風力機通過齒輪箱拖動多臺永磁同步發電機，再分別通過小容量變換器在網側并聯后，經升壓變壓器連接到電網，這種結構減小了單臺發電機和相應的電力電子變換器的容量。但這兩種方法都存在傳輸電流大、線路和開關損耗大、升壓變壓器增加成本等缺點。

風電系統中多電平變換器拓撲結構主要有中點箝位型變換器(neutralpointclamped，npc)和級聯h橋型變換器兩種類型。給出了背靠背中點箝位型拓撲結構，這是前端和后端均采用中點箝位結構，也可采用前端不控整流后端中點箝位形式的拓撲約結構。背靠背中點箝位型變換器與兩電平背靠背變換器相比，在相同的直流母線電壓情況下，器件的耐壓水平更高，輸出電壓的諧波更少，因此在2mw以上風電系統中，多電平變換器更具有優勢。級聯h橋型變換器一般與多相永磁同步發電機直接耦合，這種拓撲結構需要獨立的直流電流來實現箝位功能，隨著輸出波形電平數的增加，串級單元使用的直流電源數也將增加。

4d-pmsg變換器控制策略

4.1最大輸出功率調節

d-pmsg在不同風速下變速恒頻運行狀態是不同的，在風速低于額定風速時，風力機捕獲的風能小于額定功率，為提高風力機運行效率，必須調節電機轉速來實現mppt；在風速等于或大于額定風速時，需要調節風力機的槳距角，對其捕獲的風能進行限制，保持額定的輸出功率，并在風速大于切出風速時，控制機組退出運行。

目前最大功率點捕捉主要有下面三種方法：

(1)葉尖速比控制。在風速變化時及時調整轉速，保持最優的葉尖速比和最佳功率輸出，但風速檢測困難，轉速調節精度低，同時精確的風速計增加了成本和維護難度；

(2)功率信號反饋。將風輪機輸出的功率與風速對應起來，根據輸出功率與風速曲線來調整轉速，但由于每個風輪不同，功率與風速曲線很難統一，實用價值不高；

(3)爬山搜索法(hillclimbsearching，hcs)。這種方法采用不間斷地對風輪轉速施加小的擾動，根據發電機輸出功率的變化確定風機轉速的增量，通過反復搜索直到運行于最大功率點其搜索的步長有固定步長和變步長兩種。但是這種方法不適合于大轉動慣量的風機，同時存在步長與系統穩定性、系統效率如何協調以及如何避免追蹤錯誤轉速方向等問題。

為解決上述問題，許多學者提出了改進型hcs法，并與智能控制技術相結合，形成了混合控制策略。如利用小信號擾動法，實現系統平均功率達到最大值；依據灰色理論，利用動態gm(1，1)模型進行預測，用最小二乘法進行擬合，計算出最大功率點；采用工作點校正模塊和方向監測模塊實現自適應控制策略的訓練；研究了模型參考自適應方法，將其應用于風速變化情況下機組的控制，使風力機獲得最大風能；通過對神經網絡的離線訓練，實現了快速的最大風能捕獲控制；采用h∞混合靈敏度魯棒控制原理，提高了系統轉速控制的抗干擾性。

以上解決了風速小于額定風速情況下風力機最大風能捕獲的問題，當風速較大時，為保證風電系統安全可靠運行，需要對風力機的轉速進行限速，一般通過控制風力機的槳距角來降低捕獲的能量。槳距角控制器的設計依賴于風力機的非線性動力學模型，通常先進行模型的線性化，再設計控制器。采用極點配置的方法設計了槳距角控制器，其pid控制器在風機運行點偏離其線性化點時性能降低，引起系統的不穩定；對常規控制器進行改進，設計了變增益的控制器，隨著風機運行點的變化不斷改變控制器增益，該方法需要精確的風速，實際應用中還存在一定困難；采用高次多項式和超越方程模擬風機的非線性動力學特性，設計了一種基于模糊滑模控制理論的變速變槳距控制器，具有很好魯棒性；基于自抗擾控制理論設計了變槳距控制器，通過狀態觀測器觀測系統狀態及風速擾動，根據狀態偏差配置非線性結構，從而獲得良好的動態性能；設計了h∞控制器，并進行仿真驗證。基于奇異攝動理論和逆系統方法設計了一種非線性槳距角魯棒控制器。

4.2機側變換器控制策略

機側變換器的拓撲結構可采用二極管不控型器件和全控型器件兩種方式。對于不控整流型拓撲，整流橋會向電機注入大量的低頻諧波，電流畸變率很大，通常要采用boost升壓斬波器實現功率因數校正和較寬的電機調速范圍。目前boost電路控制策略有采用固定頻率pwm技術的平均電流控制和采用變頻pwm技術的峰值電流控制。采用多重并聯斬波器滿足了兆瓦級風電系統對機組輸入電流諧波含量的要求，但這種兩級結構降低系統效率。并采用新型單級z源電路實現升降壓靈活控制，保證系統較寬范圍變速運行和高效率。

對于機側變換器采用全控型器件拓撲結構，主要研究系統的建模與永磁同步電機的控制策略。給出了直驅永磁風力發電系統風力機、永磁同步發電機及變頻器系統的數學模型，并對額定容量為2.5mw的機組特性進行了分析。為了改善系統的性能，研究人員對pmsg的控制策略進行研究，大致可分為isd=0控制、單位功率因數控制、最優轉矩控制、常定子電壓控制以及效率最優控制等策略。isd=0控制策略采用轉子磁鏈定向控制，電磁轉矩只與定子電流q軸分量有關，控制簡單，無去磁作用，但電機功率因數低，電機和變換器的容量不能充分利用。單位功率因數控制可克服上述策略的缺點，但電機輸出轉矩比較小。最優轉矩控制也稱為定子電流最小控制，即單位定子電流下電機輸出轉矩最大，這種控制方法可減少電機銅耗，提高系統功率因數和容量。常定子電壓定向控制采用定子電壓定向的矢量控制，通過電壓、功率外環和定子電流內環實現對電機輸出功率的控制和對風能最大限度捕獲。采用效率最優控制，通過電機鐵耗、銅耗、機械損耗與變換器損耗的最小值與isd之間的關系計算出isd的給定值，控制器對isd和電機輸出功率的控制，從而實現電機最小損耗和mppt的控制。同時也有學者將無速度傳感器控制策略應用到風電機組中，提出利用直流母線電壓進行轉速觀測，并根據網側功率直接控制實現mppt。

4.3網側變換器控制策略

由于風電機組網側變換器拓撲結構通常采用三相電壓型pwm整流器，所以兩者控制策略可以相互借鑒。目前pwm整流器控制策略主要有“間接電流控制”å’Œ“直接電流控制”，其中后者以快速的電流響應和較好的魯棒性得到了廣泛應用，具體控制策略有：矢量控制、狀態反饋控制、預測電流控制等線性控制，以及滯環電流控制、模糊控制、神經網絡控制等非線性控制。矢量控制應用最為廣泛，主要有基于電網電壓控制策略和基于虛擬磁鏈的控制策略，前者包括電壓定向控制和直接功率控制，后者包括虛擬磁鏈定向控制和虛擬磁鏈直接功率控制。

在大功率風電機組中并網逆變器如果采用傳統的一階電感濾波，必須使用較大的電感量才能保證濾波效果，同時帶來體積大，成本高的缺點，所以有學者研究lcl濾波器在大功率風電機組的應用。lcl濾波器可以在較小的濾波器參數下保持優越的濾波性能，但其零阻抗諧振點影響了系統穩定性，需要進行諧振阻尼控制，其方法有無源阻尼和有源阻尼。無源阻尼通過在電容上串聯電阻來衰減諧振作用，這種方法穩定可靠，但系統存在附加損耗；有源阻尼通過修正控制算法消除諧振作用，如采用電容電壓超前校正，并結合電網電壓電流雙前饋補償方法實現諧振的阻尼，引入電容電流反饋，并提出了利用相位超前濾波器對延時進行補償的控制策略。由于直接功率控制沒有電流環，所以也有學者研究基于直接功率控制的阻尼控制策略。阻尼算法一般需要增加傳感器，對于無傳感器阻尼算法的研究也有實際意義，同時有源阻尼特別是不平衡控制時阻尼方法成為研究熱點。

采用變換器并聯運行方式可增大機組單機容量，這也是目前低電壓等級下實現大功率的一種方法，但是變換器參數的差異將產生零序環流，環流會增加損耗，甚至損壞變換器，因此并聯模塊之間要進行均流。一般可采用阻斷環流通路來抑制環流，也有通過多繞組變壓器在交流側進行電氣隔離，這種傳統方法要增加額外的器件，于是有學者研究采用新型控制算法實現零序環流的抑制。提出了一種基于零軸電流反饋控制的零序電流控制策略，實驗結果表明算法可以很好地抑制零序環流。采用載波移相調制技術，對總電流輸出外環和環流內環進行控制，從而抑制環流并改善系統動態性能。

5d-pmsg的lvrt控制策略

5.1我國lvrt標準

風力機組在電網發生故障或擾動時，引起風電場并網點電壓跌落，但機組在一定電壓跌落范圍內仍能不間斷并網運行，并向電網提供無功功率，支持電網恢復正常。圖3所示了我國起草的《風電場接入電力系統技術規定》（2009修訂稿）中對風電場的低電壓穿越要求。

通過對比丹麥、德國、美國等國的lvrt標準，可以看出我國對風電場的lvrt能力要求偏低，同時還缺少對風電場無功功率補償、調峰調頻能力、保護配置等方面的規定。

5.2pmsg的lvrt控制方案

d-pmsg通常采用全功率背靠背變流器，實現了風電機組與電網的隔離，同時系統也具備靈活的無功控制能力，因此在低電壓穿越能力上較雙饋型機組具有更大的優勢。

d-pmsg在電網發生故障時，由于變換器的熱容量有限，直流環節輸入、輸出功率不平衡，多余的能量對母線電容進行充電，導致直流環節過電壓。目前常見抑制母線電壓增加的方法主要有：直流環節增加crowbar電路、限制發電機的電磁轉矩等方法。

在直流環節增加過壓保護電路，在故障期間由crowbar電路吸收多余的能量，介紹和對比了幾種直流側crowbar電路，有增加卸荷電路、buck電路、輔助變換器等方式，這幾種方法都增加了額外器件，給系統的設計和安裝帶來問題，同時增加控制算法，影響整機的性能。提出了在電網故障時限制發電機的電磁轉矩來限制輸入到直流環節的功率，從而實現機組的低電壓穿越。這種方法將直流環節的功率不平衡轉移到風力機與發電機之間，利用旋轉元件的緩沖儲能效應，但在風力機輸出功率不變情況下，將導致發電機加速，從而引發風機的槳距控制器，對風能捕獲進行限制。

目前還有學者研究了在電網故障時變換器對電網的無功支持能力，在電網電壓跌落時，網側變換器運行于statcom模式，根據電網電壓跌落的幅度對有功和無功電流的給定值重新分配，但由于變換器輸出電流同時要維持直流母線電壓的穩定，變換器所能提供給電網的無功功率有限，故不能完全體現全功率變換器的優點。于是有學者研究網側變換器在電網故障下提供額定電流來輸出無功功率，采用新型控制策略，機側變換器控制直流母線電壓和電機定子電壓，網側變換器控制流向電網的有功、無功功率，從而確保向電網提供最大限度的無功支持。

6風電場并網運行技術研究

越來越多的風電機組并網運行，其輸出功率的波動和機組固有特性影響了電網電能質量，如電壓偏差、電壓波動、閃變、頻率偏差、公網諧波污染、電網不平衡等，同時對電網穩定性、調峰調頻以及電網調度都有影響。所以要對風電場接入后的電網進行電能質量和穩定性分析，以保證其符合iec和國家標準。

目前風電場接入電網時為改善電網電能質量，一般要設置無功補償裝置來抑制電壓波動和閃變，如增加并聯電容器補償裝置、靜止無功補償器、有源濾波器等，這種方法可快速補償無功，并維持風電場接入點電壓的穩定，但不能調節風電場輸出的有功功率。于是有學者研究利用儲能系統來控制風力發電輸出的有功功率，如采用電池儲能系統(batteryenergystoragesystem，bess)與風力發電單元結合，減少風電場輸出波動對電網的影響。將超級電容器組作為儲能設備，介紹了風電場功率調節系統并提出了能量管理控制策略，從而有效抑制風電場有功、無功功率波動。將柔性交流輸電系統設備運用到風電場以提高其運行的電能質量。

隨著風電容量占系統比例的增加，風電場輸出的不穩定性給電力系統帶來明顯的影響，比如：風電場的無功特性可能引起電壓失穩，甚至電壓崩潰；風電場與其它發電方式組成孤立電網時，可影響電網頻率的穩定性；同時風電場注入的功率改變原有系統的潮流分布和功率流向，影響系統的穩定性。上述無功補償裝置可解決這些問題，同時還可通過無功潮流優化分布、加強電網結構等方法提高系統的穩定性。

風電場功率預測對電力系統的運行具有重要的意義，有利于制定合理調度計劃。目前預測方法多基于時間序列、人工神經網絡、卡爾曼濾波等算法，如德國iset開發的wpms系統采用神經網絡方法，其預測均方根誤差為裝機容量的7%～19%。以上功率預測的方法基于統計原理，需要樣本數據，對新建風電場的功率預測存在困難，近年來國內外許多學者采用基于物理原理的風電功率預測方法，如德國oldenburg大學開發的previento系統，其預測均方根誤差低于裝機容量的10%，目前國內還沒有類似的系統應用范例，但對風電功率預測的物理方法進行研究，并提出了適用于電網預測方法，為工程應用提供了參考。

7結束語

本文詳細介紹了與直驅永磁風力發電系統相關的控制技術，重點闡述了全功率變換器的控制策略，并分析了機組低電壓穿越和風電場并網運行技術，可以看出國內外許多學者對其進行了很多研究，為其更好地推廣應用提供理論支持。