第３９卷第１期
２０１３年２月
信息化研究
Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．１
姚铃丽
风能发电原理（南京信息职业技术学院中认新能源技术学院，南京，２１００２３）
软件ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ对风力发电机组控制系统进行模拟仿真。
关键词：风力发电；控制系统；仿真软件
中图分类号：ＴＭ６１４
收稿日期：２０１２ ０９ １２
０ 引 言
社会和经济的持续发展，使得能源消耗不断增
加。面对日益严峻的能源形势及化工燃料的逐渐枯
竭，各国开始关注后续能源的持续发展问题，重视并
且采取政策鼓励开发新能源。在各式各样的新能源
技术中，风能资源是清洁的可再生能源，并且风力发
电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商
业化发展前景的能源技术，在远期将会成为世界重
要的替代能源。
作为低密度能源，风能具有不稳定和随机性特
点，在大部分利用风力的地区，风力是非常不稳定
的，即时有时无，时大时小，这极大地影响了风能的
利用效率。控制技术是风力机安全高效运行的关
键，因此研制风电转换、运行可靠、效率高、可控制且
供电性能良好的发电机系统和先进的控制技术是风
力发电推广应用的关键。
１ 风力发电原理
风能具有一定的动力，通过风轮机将风能转化
为机械能，拖动发电机发电。风力发电的原理是利
用风带动风车叶片旋转，再通过增速器将旋转的速
度提高来促使发电机发电。依据目前的风车技术，
大约３ｍ／ｓ的微风速度便可以用于发电。
风力发电的原理非常简单，最简单的风力发电
机可由叶片和发电机两部分构成，如图１所示。空
气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，
从而推动叶片旋转，如果将叶轮的转轴与发电机的
转轴相连就会带动发电机发电（图２）。
图１ 风力发电原理图
图２ 不同节距角时的浆叶截面
２ 变桨距风力发电机组控制系统模型
变桨距是指风轮叶片的安装角随风速而变化，高
于额定功率时，攻角向迎风面积减少的方向转动一个
角度，相当于增大桨距角，减少攻角。变桨距风力机
在阵风中，塔架、叶片、基础手动冲击较之定桨距风力
机小得多。缺点是需要一套比较复杂的变桨距调节
机构，要求风力机的变桨距系统对阵风的响应速度足
够快，才能减少由于风的波动引起的功率脉动。
２．１ 变桨距风力发电机组的运行状态
变桨距风力发电机组根据变距系统所起的作用
可分为３种运行状态，即风力发电机组的起动状态
（转速控制）、欠功率控制（不控制）和额定功率状态
（功率控制）。
（１）起动状态。变桨距风轮的桨叶在静止时，
节距角为９０°，气流对桨叶不产生转矩，当风速达到
起动风速时，桨叶向０°方向转动，直到气流对桨叶产
生一定的攻角，风轮起动。
（２）欠功率状态。欠功率状态是指发电机并入
电网后，由于风速低于额定风速，发电机在额定功率
以下的低功率状态运行。为了改善低风速时的风轮
气动特性，采用了最佳桨距（Ｏｐｔｉｔｉｐ）技术，即根据风·
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速的大小，调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。
（３）额定功率状态。当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态。在传统的变桨距控制方式中，将转速控制切换为功率控制，变距系统开始根据发电机的功率信号进行控制。功率反馈信号与额定功率进行比较，
功率超过额定功率时，桨叶节距向迎风面积减少的方向转动一个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动一个角度。
由于变桨距系统的响应速度受到限制，对快速变化的风速，通过改变节距来控制输出功率的效果并不理想。因此，
为了优化功率曲线，最新设计的变桨距风力发电机组在进行功率控制的过程中，其功率反馈信号不再作为直接控制桨叶节距的变量。
变桨距系统由风速低频分量和发电机转速控制，风速的高频分量产生的机械能波动，通过迅速改
变发电机的转速来进行平衡，
即通过转子电流控制器对发电机转差率进行控制。当风速高于额定风速时，
允许发电机转速升高，将瞬变的风能以风轮动能的形式储存起来；转速降低时，再将动能释放出来，使功率曲线达到理想的状态。２．２ 变桨距及变距控制系统
２．２．１ 变桨距控制系统
在发电机并入电网时前，发电机转速由速度控制器Ａ根据发电机转速反馈信号与给定信号直接控制；发电机并入电网后，速度控制器Ｂ与功率控制器起作用。功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，
调整发电机转差率，并确定速度控制器Ｂ的速度给定［
１］
。节距的给定参考值由控制器根据风力发电机组的运行状态给出。如图３所示，
当风力发电机组并入电网前，由速度控制器Ａ给出；当风力发电机组
并入电网后由速度控制器Ｂ给出，如图３所示。
图３ 新型变浆距控制系统分布图
图４ 变浆距控制系统
２．２．２ 变距控制系统
变距控制系统是一个随动系统，如图４所示。变距控制器是一个非线性比例控制器，
它可以补偿比例阀的死带和极限。变距系统的执行机构是液压系统，节距控制器的输出信号经Ｄ／Ａ转换后变成电压信号控制比例阀（或电液伺服阀），驱动液压缸活塞，推动变桨距机构，使桨叶节距角变化。活塞的位移反馈信号由位移传感器测量，经转换后输入比较器。２．３ 功率控制
为了有效地控制高速变化的风速引起的功率波
动，新型的变桨距风力发电机组采用了发电机转子电流控制技术（Ｒｏｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ
ｃｏｎｔｒｏｌ，ＲＣＣ）技术，即通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机的转差率，从而改变风轮转速，吸收由于瞬变风速引起的功率波动。
功率控制系统如图５所示，它由两个控制环节组成。外环通过测量转速产生功率参考曲线。内环是一个功率伺服环，它通过ＲＣＣ对发电机转差率进行控制，使发电机功率跟踪功率给定值。如果功率低于额定功率值，这一控制环将通过改变转差率，进而改变桨叶节距角，使风轮获得最大功率。
图５ 功率控制系统
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·技术与应用·信息化研究２０１３年２月
３ 变桨距风力发电机组控制系统模型的
建立
３．１ 控制选择器模型的建立
在控制选择器的模型中，当输入的时间值低于
１ｓ时，输出为低水平输出值０；当输入的时间值超
过１ｓ时，输出为高水平输出值［２－３］１。控制模型和
参数如图６所示。
（ａ）控制模型
（ｂ）软件仿真参数设置
图６ 系统控制选择器模型
３．２ 风轮机转速控制模型的建立
根据系统控制选择器来实现在发电机转子转速
ｗ和１之间的选择，利用乘法器乘以转速的基准值
３１４ｒａｄ／ｓ得到风轮机转速的值，对风轮机进行
控制［４－６］。
（１）选择器参数：选择器功能是当运行时间在０
到所设域值时，由Ｂ通道输入，到达所设定的值以
后由Ａ通道输入。
（２）选择器Ａ，Ｂ端输入参数：Ａ端输入变量发
电机转子转速ｗ；Ｂ端输入常数１。
（３）乘法模块输入参数：乘法模块功能是把两
个输入相乘后再输出。在软件环境中输入同步转速
３１４ｒａｄ／ｓ。
（４）时钟脉冲ＣＮＴ控制参数：时钟脉冲控制是
由一个时间信号模型与一个单信号输入比较仪组
成，其功能是当输入时间信号低于所设域值时，输出
Ｌｏｗ ｏｕｔｐｕｔ ｌｅｖｅｌ通道所设值，当输入时间信号高于
所设域值时，输出Ｈｉｇｈ ｏｕｔｐｕｔ ｌｅｖｅｌ通道所设值。
控制模型和参数如图７所示。
（ａ）控制模型（注：Ｃｔｒｌ为控制量，可赋值ｗ或１；Ｗ为乘法模
块输出量；Ｖｗ为风速；Ｗｉｎｄ ｍｏｄｅ为风车模型。）
（ｂ）软件仿真参数设置
图７ 风轮机转速控制模型
３．３ 发电机并网前转速控制的模型
根据异步发电机输出的机械转矩和电磁转矩，
利用发电机多参量模块可以对发电机的转速进行控
制，其控制模型和参数如图８所示。
（ａ）控制模型
（ｂ）软件仿真参数设置
图８ 发电机转速控制的模型及参数·
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３．４ 风力发电机组的变桨距控制系统模型
变桨距风轮机的桨叶静止时节距角为９０°，当风
速达到起动风速时桨叶向０°方向转动，直到气流对
桨叶产生一定的攻角后风轮才起动。当风速达到或
超过额定风速后，风力发电机组进入额定功率状态，
将转速控制切换为功率控制，变距系统开始根据发
电机的功率信号进行控制。功率反馈信号与额定功
率进行比较，功率超过额定功率时，桨叶节距向迎风
面积减少的方向转动一个角度，反之则向迎风面积
增大的方向转动一个角度。
（１）桨距角控制输入量模型。根据控制选择器
来选择异步发电机的有功功率反馈值或给定值为桨
距角控制功率的输入量，如图９所示。
图９ 桨距角控制输入模型
（２）桨距角控制功率的参照量（Ｐｒｅｆ）模型。以
发电机的额定功率作为控制系统功率输入的参照
量，由实际值与其进行比较，根据所得值的大小可以
判断功率输出是否稳定，从而可以通过改变桨距角
进行功率调节，如图１０所示。
１０ 桨距角控制功率的参照量（Ｐｒｅｆ）模型
（３）桨距角控制比例积分环节模型。由比例积
分控制器将功率比较的差值转换成角度参量，如图
１１所示。
图１１ 比例积分控制器模型
（４）桨距角调整限制环节模型。如图１２所示。
图１２ 桨距角调整限制环节模型
由桨距角输出反馈值和经滤波器滤波后的输入
值进行比较后，输入微分限制和微分器环节进行整
合后输出。再与桨距角给定值进行比较，输入桨距
角限制环节，输出桨距角。其各部分的参数如图
１３，１４，１５所示。
图１３ 微分限制参数
图１４ 微分器环节传递函数Ｋ４
Ｓ
参数
图１５ 桨距角的角度限制参数
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·技术与应用·
信息化研究
２０１３年２月
以上是对完整的风力发电控制系统模型的建立过程，通过以上模型可以对风力发电机组进行相应的转速控制和功率控制，使风力发电系统运行在安全稳定的状态。
３．５ 变桨距控制系统模拟仿真分析
变桨距控制系统模拟仿真结果如图１６所示。
图１６ 变桨距控制系统模拟仿真结果
由变桨距控制系统模仿真结果可以看出：通过控制桨距角的大小就可以控制叶片吸收风功率的多少，
桨距角的调节可以使发电机输出功率平稳。风轮机启动时风力发电机组开始自动运行于风轮叶尖确认９０°，即桨矩角初始值为９０°，在机组起动的过程中逐渐变小。这样叶片吸收风能逐渐增大，叶片的转速也逐渐加快，最后在１．４ｓ时桨矩角变为零，
且保持不变，此时叶片吸收风能达到了最大。４ 结束语
风力发电系统控制模型是以风速的变化为依
据，风能的最大利用效率为目的，为优化风力发电系统运行特性提出的控制方案。变桨距控制系统的设计主要采用比例调节和积分调节控制器，通过风轮机桨距角控制系统对叶片桨距角进行控制，达到提高风能利用效率及改善供电质量的目的。通过调整桨叶节距，
使系统输出功率稳定，并使输出功率得到了优化，提高了风力发电系统运行的可靠性。
仿真结果表明：此控制系统能够稳定输出功率，提高风能利用效率。
参
考
文
献
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北京：机械工业出版社，２００２．
［２］Ｈｉｌｌｏｏｗａｌａ Ｒ Ｍ，Ｓｈａｒａｆ Ａ Ｍ．Ａ ｒｕｌｅ－ｂａｓｅｄ ｆｕｚ
ｚｙ
ｌｏｇｉｃ ｃｏｎ－ｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ ａ ＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎ ａ ｓｔａｎｄ ａｌｏｎｅ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓ．ｏｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ
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ｉｅｓ ｆｏｒ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ［Ｊ］．Ｗｉｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
，１９９８，１２（４）：２３６－２４９． 姚铃丽（１９７９－）
，女，讲师，主要研究方向为数字逻辑与质量检测及新能源技术等。
Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇ
ｎＹａｏ Ｌｉｎｇ
ｌｉ（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ＣＱＣ Ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ
Ｃｏｌｌｅｇｅｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ
２１００２３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔａｒｇｅｔ ａｎｄ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ ｗａｓ ａｄ－ｊｕｓｔｅｄ ｆｏｒ ｃｈａｎｇｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｗｈｉｃｈ ａｉｒｆｌｏｗ ｂｌｏｗ ｖａｎｅ，ｔｈｅｎ ｃｈａｎｇｉｎｇ
ｔｈｅ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｆｏｒ ｓａｔｉｓｆｙｉｎｇ ｄｕａｌｄｅｍａｎｄ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｓｔｅａｄｙ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒ ｈａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅ ａｌｔｅｒａｂｌｅｐｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ ｕｓｉｎｇ
ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｓｔａｂｉｌｉｚｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ，ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｗｉｎｄ ｅｎ－ｅｒｇｙ
．Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ·
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