1.引言
风力发电技术以其无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，造价低等特点，受到世界各国的高度重视。通常，风力发电系统中，机械成本占装置总成本的80%左右。长期以来，由于结构简单、运行可靠，风力发电系统主要采用恒速恒频（Constant Speed Constant Frequency，简称CSCF）发电方式，但其发电效率较低，而且机械承受的应力较大，相应的装置成本较高。为实现不同风速下的高效发电，国内外正在采用变速恒频（Variable Speed Constant Frequency，简称VSCF）发电方式，低风速下风机转速相应下降，从而大大降低了系统的机械应力和装置成本。本文综述了上述两种发电方式下，并网型风力发电机组的各种控制方法。
2.工作原理及特点
2.1 风机功率特性
风机从风中吸收的有功功率，即风机的输出功率为
由式（1）可知，通过控制α和电机转速ωr 都可改变风机吸收的风能。由空气动力学的相关知识可知，Cp 最大可达59.3%，称为贝兹极限。图1 示出Cp 与λ，α的关系曲线。当α一定时，Cp 存在最大值Cpmax，控制ωr 使λ最优，可实现风机的输出功率最大；当α变化时，Cpmax 也相应变化。理想状态下，α=0°对应最大Cpmax，实际系统中，由于桨叶中杂质和气流等的影响，最优α值一般在0°附近，可通过现场调试获得。
2.2 CSCF 和VSCF 的工作原理及特点
CSCF 和VSCF 发电方式各有优缺点，而且两种方式下所采用的发电机类型和电路拓扑结构有所区别。由于同步机并网比较困难，CSCF 一般采用鼠笼式异步电机。图2a 示出其典型的电路拓扑结构。当风机带动发电机达到或接近同步速时，并网运行，此后ωr基本保持恒定，系统送入电网的电压频率恒定。VSCF 一般采用交流励磁的双馈发电机、同步发电机或直接驱动的多级永磁同步发电机。图2b，c，d示出其相应的电路拓扑。系统运行时，在不同v 下控制发电机变速运行，提高风能的利用率，系统送入电网的电压频率恒定。对于双馈发电机，通过控制转子侧的滑差功率来改变其ωr；对于同步发电机，通过控制定子侧的有功功率来改变其ωr。
表1 给出几种发电方案的性能对比。由于大容量风机的ωm 较低，一般为25r/min 左右。因此采用图2b 方案时，若不加增速齿轮箱，则系统工作在50Hz 下，需要设计电机的极对数为120，显然无法实现。
采用图2d 方案时，因直驱式永磁同步发电机可发出低频交流电，电机所需极对数较少，因此尽管该方案需要额定容量的功率变换器，但因其能节省齿轮箱，则与图2d 方案相比，系统成本并未增加。相应地，系统的机械效率较高，免去了齿轮箱的维护，运行可靠，随着大容量电力电子器件的发展，将会得到更多的应用。
3.并网风力发电机组的控制
迄今，已有许多文献对用于并网型风力发电机组的控制方法做了研究。通常，可根据v 的大小，将风力发电机组的控制分为起动、额定风速以下及额定风速以上3 个阶段。
CSCF 发电方式下，发电机起动后，在额定风速以下，控制ωm 基本不变；在额定风速以上，需通过桨叶的失速或者调节α限制其功率输出。VSCF 发电方式下，发电机起动后，在额定风速以下，根据v 的变化调节ωr，实现最大风能的转换，由于ωr 的限制，该阶段又分为变速运行区和恒速运行区，恒速区需要调节α，以限制ωr；在额定风速以上，因ωr 和输出功率的限制，一方面需要调节α，限制ωr，另一方面需通过变频器限制其输出功率。
3.1 CSCF 方式下风力发电机组的控制
以鼠笼式异步发电机为例，v 大于切入速度后，当检测到发电机与电网相序相同，并且ωr 接近同步速时，控制其并网。由于并网前鼠笼式异步发电机的定子端电压为零，所以并网瞬间定子冲击电流可达5～6 倍额定电流值。为抑制该冲击电流，一般采用软并网的方法，发电机经双向晶闸管连网，通过电流反馈控制双向晶闸管导通角从0°～180°逐渐打开，将冲击电流限制在1.5～2 倍额定值左右，并网结束后，再将晶闸管短接。
在额定风速以下，v 一定时，感应电机向电网输出的功率取决于电机滑差s 和电机参数，s 基本保持不变，而电机参数一定，故无法控制电机的输出功率。图3 示出发电机惯例下鼠笼式异步发电机的转矩Te与转速ωr 的特性曲线。上述工况为电机工作在线性工作区OB段。在额定风速以上，电机的输出功率随风速的增加而增加，电机沿Te 与ωr 特性曲线的OB 方向运行，当输出功率超过B点所对应的功率时，电机运行到非线性区BC段，随着ωr 的升高，Te 减小，会引起电机飞车。为避免此类危险，失速型风机通过桨叶失速限制输出功率，而变桨矩风机通过改变α限制输出功率。
在风速变化时，ωr 保持不变，显然Cp 不可能保持为最大值，该方法的效率不高。
3.2 VSCF 方式下风力发电机组的控制
图4 示出由式（1）和Cp 关系曲线得到的当α一定时， 不同v下，即v1>v2>v3的风力发电机的输出功率P与转速ωm 的特性曲线。
( 1) 起动阶段对于永磁同步发电机，由于励磁始终存在，一旦v 大于切入速度并且直流母线电压足够高时，控制电机并网；对于他励同步发电机和双馈发电机，因需要外加电源励磁，当风力机带动其接近同步速时，控制其并网，此时电机运行在图4 的AB段。
( 2) 额定风速以下阶段由于ωr 的限制，该阶段又可分为变速运行区和恒速运行区。在变速运行区，风力发电机组控制的主要任务是通过对ωr 的控制来跟踪最佳的Cp 曲线，以获得最大能量的，此时α保持为最优α不变，电机运行在图4 的BCDE 段。控制方法有：直接速度控制（Direct Speed Control，简称DSC）和间接速度控制（Indirect Speed Control，简称ISC）。DSC 又称为最佳叶尖速比控制（Tip-Speed Ratio Control，简称TSR），即从风力发电机组的功率特性推算出最佳叶尖速比λopt，根据测量得到的v 值，再由λoptv/R 得到最佳风机转速ωmopt，控制风力机的Te 跟踪ωmopt，实现最大风能捕获控制。该方法需要知道v，ωm和λopt。λopt 可根据厂家提供的风机输出功率与转速ωm 曲线估算而得，对于不同风机，该值不同；此外，v 很难准确测得。这些难点使得该方法的执行难度加大，而且它的致命缺点是因快速变化的v 有很强的依赖性，导致送入电网的电能波动较大。图5 示出上述方法的控制框图。当风力机与发电机之间有齿轮箱相连时，ωr=Kgωm（Kg 为齿轮箱变比）。
图中ωr，ωr*———发电机的转速测量值和转速给定值在风速变化时，ωr 保持不变，显然Cp 不可能保持为最大值，该方法的效率不高。
3.2 VSCF 方式下风力发电机组的控制
图4 示出由式（1）和Cp 关系曲线得到的当α一定时， 不同v下，即v1>v2>v3的风力发电机的输出功率P与转速ωm 的特性曲线。
( 1) 起动阶段对于永磁同步发电机，由于励磁始终存在，一旦v 大于切入速度并且直流母线电压足够高时，控制电机并网；对于他励同步发电机和双馈发电机，因需要外加电源励磁，当风力机带动其接近同步速时，控制其并网，此时电机运行在图4 的AB段。
( 2) 额定风速以下阶段由于ωr 的限制，该阶段又可分为变速运行区和恒速运行区。在变速运行区，风力发电机组控制的主要任务是通过对ωr 的控制来跟踪最佳的Cp 曲线，以获得最大能量的，此时α保持为最优α不变，电机运行在图4 的BCDE 段。控制方法有：直接速度控制（Direct Speed Control，简称DSC）和间接速度控制（Indirect Speed Control，简称ISC）。DSC 又称为最佳叶尖速比控制（Tip-Speed Ratio Control，简称TSR），即从风力发电机组的功率特性推算出最佳叶尖速比λopt，根据测量得到的v 值，再由λoptv/R 得到最佳风机转速ωmopt，控制风力机的Te 跟踪ωmopt，实现最大风能捕获控制。该方法需要知道v，ωm和λopt。λopt 可根据厂家提供的风机输出功率与转速ωm 曲线估算而得，对于不同风机，该值不同；此外，v 很难准确测得。这些难点使得该方法的执行难度加大，而且它的致命缺点是因快速变化的v 有很强的依赖性，导致送入电网的电能波动较大。图5 示出上述方法的控制框图。当风力机与发电机之间有齿轮箱相连时，ωr=Kgωm（Kg 为齿轮箱变比）。
ISC方法中，ωm不是直接被控制的，是通过控制其他参数，如发电机的Te 和功率来控制ωm的。通常有功率信号反馈法（Power Signal Feedback，简称PSF）、爬山法（Hill-climb Searching ，简称HCS）、最优转矩法（Optimal Torque Control，简称OTC）及其他方法。
用PSF 方法控制风力发电机组跟踪其最优输出功率与ωm曲线（见图4 的BCDE 段），以实现最大风能捕获。该方法需要测量输出功率和ωm，还需根据厂家提供的输出功率与ωm曲线拟合出最优的输出功率与ωm曲线。因此，该方法执行的代价很大，但能有效避免输出电能的波动。
用HCS 方法将输出功率与ωm曲线分成上山段（对应图4 的OE 段）和下山段（对应图4 的EH 段），通过搜索法控制电机运行到最大风能捕获点。该方法仅需测量输出功率和ωm，无需其他信息就能实现最大风能捕获。但当风力机的机械惯性较大时，该方法失效。用OTC 方法根据式（1）与Te 和功率的关系，计算出λopt 下的电机Teopt，控制发电机转矩跟踪Teopt，即可实现最大风能捕获[6]。该方法需测量ωm和电机的Te，同样还需知道λopt。通常由Te 公式计算电机的Te，因此该方法对电机参数有很强的依赖性。
图6 示出上述方法的控制框图。其他还有一些间接实现最大风能捕获的方法。例如，针对图2a 的电路结构，由于直流母线的输出功率和ωr关系曲线与风机的输出功率和ωm关系曲线（图4）类似，文献通过搜索算法控制直流母线上有功最大而实现最大风能捕获。
图中P，Te，ωr，u，f，i———测得的发电机输出有功功率、转矩、转速、电压、频率和电流
P*，Te*，u*，f*———给定的发电机输出有功功率、转矩、控制电压和频率
针对不同的电路拓扑，图5 和图6 的控制器有不同的实现方案。在图2a 的结构下，一般采用基于定子磁链、气隙磁链或定子电压定向的矢量控制，可实现定子侧有功和无功功率的解耦控制，通过设计线性，如PI 调节器实现控制目标；在图2b 和图2c 结构下，一般采用基于转子磁链定向或定子磁链定向的矢量控制。考虑到参数摄动、电网扰动等影响，上述结构都采用了自适应、鲁棒控制、智能控制等非解耦控制方法，通过设计非线性控制器，以实现控制目标。
在恒速运行区，由于ωr 的限制，需要通过增大α来限制ωm，此时电机运行于图4 的EF 段。目前的α控制方法一般建立在小信号模型的基础上，图7示出控制框图。其控制器一般为线性PID 控制器，也可采用非线性如鲁棒控制器。
( 3) 额定风速以上阶段由于ωr 和输出功率的限制，一方面需要通过增大α来限制风机转速，另一方面还需要通过电气控制来限制输出功率，控制方法与上述类似。
4.结论与展望
对并网型风力发电机组的控制方法进行了简单介绍，其结论为：
（1）不同风速下，VSCF 方式的风机都工作在最高效率点，风电系统的效率比CSCF 提高了10%左右，将逐步替代CSCF 方式。
（2）随着大容量电力电子器件的发展，风电系统中直驱式永磁同步发电机将会得到更多的应用和发展。
（3）针对风电机组的控制，目前，发电机转速控制和变速运行区的最大风能捕获方法已较为成熟，当前的研究热点有：
①在恒速运行区及额定风速以上运行时，由于桨矩角与风机转速的非线性关系，所以有效的桨矩角控制及桨矩角与电气的协调控制方法有待研究；
②随着电网内风电容量的增大，随机性的风电对电网的稳定性的影响需进一步研究。
