基于无风速测量的新型减载控制策略的构网型风力发电机组研究

本文提出了一种创新的构网型(GFM)风力发电机组控制策略，通过无风速测量的新型减载(deloading)技术解决了传统方法依赖风速传感器的问题。研究采用转子转速反馈的自适应参考功率分配策略，在恒速区建立了附加功率与桨距角的唯一映射关系，并利用最小二乘法拟合函数曲线，显著提高了减载精度。同时结合匹配控制(matching control)方法，实现了无需锁相环(PLL)的自主并网，为高比例可再生能源电网提供了有效的频率支撑方案。

　　

Highlight

传统构网型风力发电机组减载控制

1. 1.

   风速测量误差问题

   在风机减载控制中，附加功率P_add通常需要通过查表法根据实测风速和减载指令确定，桨距角则通过限速控制调节。当风速测量存在误差时，控制系统将输出不恰当的P_add，导致桨距角调节失准。最终风机功率无法按指令减载，降低减载效率并增加功率波动风险。

风力发电机组动态特性

气流产生风能，根据贝兹理论，风机叶片可捕获部分风功率，如公式(1)所示：

P_m = (1/2)ρSv³C_p(λ,β)

其中P_m为风机机械功率，ρ为空气密度，S=πR²为叶片扫掠面积，R为叶片半径，v为风速，C_p(λ,β)为功率转换系数，λ为叶尖速比，β为桨距角。

叶尖速比λ定义如下：

λ = ω_rR/v

其中ω_r为...

新型减载控制原理

本研究定义减载系数k_del（范围[0,1]），减载后风机输出功率为P_del=k_delP_mppt。通过调节k_del可灵活控制备用功率。为充分利用转子动能，优先通过转子侧变流器(RSC)实现减载。当转速达到上限时，再启用桨距角控制(PAC)。

匹配控制及其原理

采用匹配控制作为构网算法，基于变流器与同步发电机(SG)的动力学相似原理，通过直流电压动态变化生成虚拟角频率。特别适用于具有功率波动的可再生能源系统逆变器，作为能量侧逆变器。电网侧变流器的无功功率环采用电压-无功下垂控制器，最终生成参考电压...

仿真验证

在Matlab/Simulink中搭建如图1所示的仿真模型。具体参数：风机惯性时间常数H_WT=5s，额定功率P_n=2MW，额定转子转速ω_n=3.127rad/s，额定风速v_n=12m/s，中高风速区上限v_ωmax=11m/s...

结论

本研究突破了传统风速依赖型减载方法的局限，通过转子转速反馈的附加功率控制策略，成功消除了功率波动并提高了风能利用率。创新的无风速测量减载方法通过建立附加功率与桨距角的函数关系，显著提升了减载精度，为高比例可再生能源电网提供了可靠支撑。