风力发电机组的控制技术，其核心目标是：在保证机组安全、稳定运行的前提下，最大限度地捕获风能，并尽可能延长机组的使用寿命。
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我们可以从几个层面来理解这项技术：
控制系统的分层架构
现代大型风电机组的控制系统通常采用分层、模块化的架构，像一个“大脑”和“神经系统”一样指挥着整个机组,一般分为三个层次：
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主控制器
- 角色：整个机组的“总指挥官”。
- 功能：接收来自上层（如风电场调度中心）和本层的指令，根据风速、风向、转速、功率等全局信息，制定并下达总的运行策略，它负责协调各个子系统的工作,确保机组始终处于最优或安全状态。
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子控制器
（图片来源网络，侵删）- 角色：各个专业领域的“部门经理”。
- 功能：接收主控制器的指令，负责具体执行，主要包括：
- 变桨控制器：控制三个叶片的桨距角。
- 偏航控制器：控制机舱对准风向。
- 变流器控制器：控制发电机与电网之间的功率流动。
- 液压/机械制动控制器：在紧急情况下执行停机。
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执行机构与传感器
- 角色：“手脚”和“感官”。
- 功能：传感器（如风速仪、风向标、转速编码器、振动传感器等）实时采集机组状态数据，并反馈给控制器，执行机构（如变桨电机、偏航电机、变流器IGBT、液压缸等）则根据控制器的指令，精确地调整叶片角度、机舱朝向或发电机功率。
核心控制策略与模式
风力发电机组的运行根据风速的不同，主要分为以下几个控制模式,每个模式对应着不同的控制策略。
启动与切出模式
- 启动：当风速超过切入风速（通常为3-4 m/s）时，控制系统开始启动，偏航系统会先对准风向，然后变桨系统将叶片调整到合适的角度（通常为0°，即满翼展），发电机在变流器控制下并网,开始发电。
- 切出：当风速超过切出风速（通常为25 m/s）时，为了保护机组免受损坏，控制系统会执行停机命令，变桨系统会迅速将叶片转到顺桨位置（约90°），使叶片失去升力，风轮停止转动,机械制动器可能会辅助刹车。
最大能量捕获模式 (低于额定风速)
这个模式的目标是：在低于额定风速时，尽可能多地捕获风能，实现最大风能利用效率。
- 控制变量：发电机转速。
- 核心策略：变速运行，现代风机大多采用变速恒频技术，允许发电机在一定范围内变速运行。
- 原理：根据贝茨理论，存在一个最佳叶尖速比，此时风能利用系数最高，叶尖速比 = (叶片线速度) / (风速) = (风轮转速 × 叶片半径) / 风速。
- 实现方式：通过控制发电机转速，使其始终与当前风速保持最佳叶尖速比，风速增大时，转速也随之增大,从而保持最佳效率。
- 技术实现：通过变流器调节发电机定子侧的频率和电压,从而精确控制发电机的转速和扭矩。
恒定功率输出模式 (高于额定风速)
这个模式的目标是：在风速超过额定风速后，将发电机的输出功率稳定在额定值附近，防止机组过载。
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- 控制变量：输出功率。
- 核心策略：变桨距控制，这是大型风机区别于小型风机最显著的技术。
- 原理：通过改变叶片的桨距角（即叶片与风轮旋转平面的夹角），来调整叶片的迎风面积和攻角,从而控制风轮从风中吸收的扭矩和功率。
- 实现方式：
- 当风速增大，导致功率超过额定值时，主控制器会命令变桨控制器,将三个叶片的桨距角同时增大。
- 叶片“失速”，升力减小，阻力增大,风轮吸收的功率被限制在额定值附近。
- 这是一个闭环反馈系统，控制器会根据功率偏差实时调整桨距角,实现功率的稳定输出。
高风速保护模式
这是切出模式前的最后防线,通常在极端风速下触发。
- 控制策略：紧急顺桨 + 机械制动。
- 变桨系统以最快速度将叶片顺桨，使风轮完全“失速”。
- 液压或机械制动器投入，刹住高速旋转的主轴和齿轮箱,确保机组安全停机。
关键子系统控制技术详解
变桨控制技术
- 功能：调节叶片桨距角,是功率控制和安全保护的核心。
- 控制算法：通常采用PID（比例-积分-微分）控制器，它根据功率（或转速）的设定值与实际值的偏差，计算出需要的桨距角变化量,驱动变桨电机执行。
- 先进技术：在大型风机中，每个叶片通常有自己的独立变桨系统，可以分别控制，用于应对风切变、塔影效应等复杂工况,甚至进行单个叶片的载荷控制。
偏航控制技术
- 功能：驱动机舱旋转，使风轮始终对准主风向,以最大化能量捕获。
- 控制算法：基于风向标提供的信息，当风向偏离风轮轴线一定角度（如±15°）时，控制器启动偏航电机,调整机舱朝向。
- 关键技术：偏航解缆，为了避免电缆过度缠绕，控制系统会记录偏航圈数，当达到设定值（如10-20圈）时，会自动反向偏航一圈,以释放电缆。
变速与变流器控制技术
- 功能：实现变速恒频运行,是现代风机的核心技术。
- 拓扑结构：主流是“双馈异步发电机”和“全功率变流器”方案。
- 双馈方案：定子直接并网，转子通过部分功率变流器控制，可以控制转速在同步速的±30%范围内变化，成本较低,但控制复杂。
- 全功率方案：发电机发出的全部电能都经过整流和逆变后并入电网，可以实现对转速的完全控制（从零到最大），电网适应性好,是目前主流技术。
- 控制目标：精确控制发电机的电磁转矩和有功/无功功率,实现与电网的柔性连接。
先进与前沿控制技术
随着风机单机容量越来越大（10MW+），控制技术也在不断演进,以应对更复杂的挑战。
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载荷控制
- 问题：巨大的风载荷会作用在叶片、主轴、齿轮箱和塔筒上,是导致疲劳损伤的主要原因。
- 解决方案：在传统功率控制基础上，引入额外的控制目标来优化载荷。
- 个体变桨控制：根据塔筒顶部和底部的传感器信息，独立调整三个叶片的桨距角，以抵消不对称载荷（如风切变、塔影效应引起的载荷波动）。
- 驱动侧阻尼控制：通过微调发电机的转矩，来抑制塔筒的前后或左右振动，这是一种“软”的阻尼方式,比机械阻尼更高效。
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人工智能与数据驱动控制
- 应用：利用机器学习、深度学习等技术。
- 优势：
- 故障预测与健康管理：通过分析大量历史数据，预测齿轮箱、轴承等关键部件的剩余寿命。
- 智能控制：训练神经网络模型，使其能够比传统PID控制器更精准地应对复杂多变的湍流风,进一步优化功率捕获和载荷分配。
- 智能偏航：预测未来几十秒的风向变化，提前调整偏航角度,以实现更长的对风时间。
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电网支撑与并网技术
- 新要求：风机不再是简单的“电源”，而是作为电力电子设备,需要主动支撑电网的稳定。
- 控制功能：
- 低电压穿越：当电网电压骤降时，风机不能脱网，而是要向电网提供无功电流,帮助电网恢复电压。
- 虚拟同步机技术：通过控制算法，让变流器控制的风机模拟传统同步发电机的转动惯量和阻尼特性，为电网提供频率
