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风力发电机组的控制技术及趋势摘要：风电机组是一个复杂多变量非线性系统，且有不确定性和多干扰等特点，含有未建模或无法准确建模的动态部分，对这样的系统实现有效控制是极为困难的。本文先介绍了风力发电的背景，然后根据气动特性说明控制技术在风力发电中的重要地位。随后给出了风力发电的两种典型控制策略，最后就现代的先进控制方法在风力发电控制系统中的作用表达了风力发电机组控制技术的未来发展趋势。关键词：风力发电；气动特性；现代控制；发展趋势1.风力发电的背景能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。从全球能源消耗来看， 87%的能源来自化石燃料（包括煤炭、石油和天然气），6%来自核电，其余的 7%来自可再生能源（主要是水电和风力发电）。随着人口的增长和经济的发展，能源将供不应求，如果不尽早调整以化石能源为主的能源结构，势必形成对化石燃料的更大规模的开采与消耗，从而导致有限化石资源的枯竭。另外，不断增长的能源消耗所造成的环境污染和安全问题已经成为社会发展的突出矛盾。化石燃料的燃烧除了煤炭产生的烟尘之外，还会释放许多有害气体。我国燃煤释放的 SO2占全国总排放量的85%，CO2占85%，NOX占60%，烟尘占70%。1997 年我国 SO2排放总量为2346万吨。我国酸雨区域在迅速扩大，已超过国土面积的 40%。1995 年酸雨沉降造成的经济损失为 1165 亿元，占 GNP 的 1.9%。能源的发展按照可持续发展战略原则，在开发利用常规能源的同时，应更加注重开发利用对生态有利的新型可再生能源，如风能、水能、太阳能、潮汐能等。风力发电作为一种新的、安全可靠的洁净能源，其优越性为越来越多的人所认识。风力发电的优越性可归纳为五点：（1）风力发电是一种洁净的自然能源。风能在转换成电能的过程中，只降低了气流的速度，没有给大气造成任何污染。风电没有常规能源及核电对环境造成的污染问题。核电的放射性废料仍是一个较难解决的问题。（2）风力发电技术不断进步，单机容量逐步增大，产品质量得到改善，可用率达到 98%以上，是一种安全可靠的能源。（3）由于技术进步和产品批量增加，风力发电的经济性日益提高，风电成本持续下降，见图1。从图1可以看出，风力发电的成本已接近煤电，低于油电和核电。若考虑煤电的环境污染和交通安全等问题，风电的经济性优于煤电。图1 1983-1993年世界风力发电装机容量增长和成本下降情况（4）风力发电场建设周期短。单台风力发电机组安装仅需几个星期，可多台同时安装，互不干扰。建设一个风力发电场，从土建、安装到投产，只需半年至一年时间；而煤电、核电的建设需要三至十年。（5）风力发电占地面积少。塔筒与监控、变电建筑仅占风电场约 1%的土地，其余 99%的广大场地可供农、林、牧使用。由此可见，风力发电具有较好的经济效益和社会效益，风力发电技术的发展受到世界各国政府的高度重视。2.风力发电机组的控制技术在额定风速以下运行时，由于风轮功率与风速的三次方成正比，所以为了获得稳定功率输出，需要对风轮转速或桨距角作出调整。风力发电机组在超过额定风速以后，由于机械强度和发电机、变频器容量等物理性能的限制，必须降低风轮的能量捕获，使功率输出保持在额定值附近，同时减少叶片承受载荷和整个风力机受到的冲击，保证风力机不受损害。因此，为了提高风能利用效率、改善风电质量、降低风电成本，不得不对风力发电机组的控制进行研究。2.1风力发电机叶片气动特性风力发电机通过叶片捕获风能,将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。风轮机的特性通常用风能转换效率Cp-尖速比(TSR)曲线来表示。图2是一条典型的Cp-TSR曲线。尖速比可表示为：TSR=ωmR/V （1）其中ωm为风轮机的机械转速(rad/s);R为叶片半径(m);V为来流的线性风速(m/s)。图2风轮的典型Cp-TSR特性曲线根据风机叶片的空气动力特性,风能转换效率Cp是尖速比TSR和桨矩β的函数,即Cp=f(TSR,β)。典型Cp与TSR和β的关系可用图3来表示。由图中可见,对于同Cp值,风力机可能有两个运行点A和B,它们分别对应于风力机的高风速运行区和低风速运行区。当风速发生变化时,风力机的运行点将要发生变化。图3风轮的典型Cp-TSR特性曲线在恒频应用中,发电机转速的变化只比同步转速高百分之几,但风速的变化范围可以很宽。按(1)式,尖速比便可以在很宽范围内变化(取决于叶片设计),风轮机捕获风力可以写成: P机械= 0.5ρ ACpV3（2）其中P机械是气动功率(W)；ρ是空气密度(kg/m3)；A是扫掠面积(m2);Cp是风轮机的功率系数。由(2)式,风机整体设计和相应的运行控制策略应追求Cp最大化调整,便可增