考虑风机载荷约束的风电系统功率控制策略的研究(3)
1.2.2 风机最大功率点跟踪（MPPT）控制综述
目前，大、中型风电机组并网发电已成为人类利用风能的主要形式，变速变桨距型风电机组在实际风力发电系统中已得到了广泛的应用。变速变桨距型风电机组的优点是风机可以通过恰当的控制方式最大限度地捕获风能，故发电量较其他类型的风电机组要有所增加。同时该机型转速调节范围大，可以适应由于风速变化引起的风机转速改变需求。
变速风电机组的最大功率点跟踪控制方式对机组的风能捕获效率有着重要影响。现有的最大功率点跟踪控制策略主要可分为三种基本类型[2]，分别是叶尖速比法、功率曲线法、爬山搜索法。叶尖速比法中，控制系统的输入信号为实测得到的风速和风轮转速，根据风速和转速的测量值计算得实际叶尖速比后与风机的最优叶尖速比进行比较，将所得误差作为风机转速的控制指令，使风轮转速与风速保持最优叶尖速比，从而实现最大风能捕获。叶尖速比法原理简单，但在实际应用中一般不采用该方法。这是因为难以通过直接测量得到风速的实时值，加装风速计也增加了系统的成本。而且由于风速的变化难以预测，叶尖速比法在实际应用时一般无法取得较好的控制效果。功率曲线法通过测量风机的转速，根据风力机的功率曲线计算出与该转速下对应的风机的最大输出功率，将其作为风机的输出功率参考值对风机进行控制。采用功率曲线法能较好地避免风机输出功率出现波动，也相对容易实现。但该方法需要事先通过实验获得风机最大功率曲线，随着使用年限的增加，风机特性将发生变化，故难以长期保证功率曲线法的控制精度。爬山搜索法属于一种扰动观察法：对风机转速人为地施加微小扰动，接着通过测量扰动后风机输出功率，判断其变化趋势以搜索对应于最大功率点的最优转速。爬山搜索法无需获得实测的风速，对转速的控制与风电机组的特性无关。在小型风力发电系统中采用爬山搜索法进行最大功率点跟踪控可以较好地实现控制目标。但对于大型风力发电系统，由于机组的转动惯量很大，爬山搜索法难以有效地进行控制。随着风电机组容量不断增大，该方法的局限性也越来越明显。
1.2.3 风机载荷控制技术研究现状
1.3 研究目的
现有关于MPPT控制方法的研究主要关注如何通过改进控制策略使风机在额定风速以下获得更高的风能捕获效率，却忽视了MPPT阶段控制策略对风机载荷的影响。基于这一现状，考虑到不同的MPPT控制策略将影响载荷计算的结果，本文选择常用的MPPT控制策略——最优转矩控制策略（它与功率曲线法相似）和现有的几种有关该控制策略的改进方法进行分析。使用业界广泛认可的GH Bladed仿真软件，仿真比较在不同MPPT控制策略下运行时风机关键部位载荷的大小，验证改进的控制策略能否在提高风能捕获效率的同时而不增大风机载荷。这对于控制策略能否投入实际应用具有较好的参考意义。
1.4 论文主要内容
论文总共分为6个部分。第1章为绪论，对本课题的背景和论文框架做了介绍和说明。第2章介绍了变速变桨距型风电机组的控制原理，说明了变速风电机组的特性和运行控制过程。第3章则叙述了变速风电机组的MPPT控制策略，具体阐述了最优转矩控制策略和现有的几种有关该控制策略的改进方法。第4章的内容为风电机组载荷的分类和计算要求，明确了本课题需要比较的风机关键部位载荷项目。第5章为本课题的主要工作内容——MPPT控制策略影响风电机组载荷的仿真研究。基于风电技术专业仿真软件GH Bladed对风机动态运行控制进行时域仿真，比较分析不同MPPT控制策略下风机关键部位载荷的差异。最后一章为结论，对本文开展的研究工作进行总结与展望。