一种设有转速禁区的风电机组限功率控制方法技术领域
本发明涉及风电机组限功率控制的技术领域，尤其是指一种设有转速禁区
的风电机组限功率控制方法。
背景技术
现代风力发电机组基本上都为变速、柔性结构；并且在单机容量上从上世
纪的千瓦级别突破到目前的3-8MW，未来应用到海上的单机容量将达到10MW。
在这样的背景下，为最大程度的获取风能和降低机组载荷，风力发电机组需要
拥有大范围的变速运行区间。但大范围的速度范围将可能导致机组叶轮旋转频
率和机组其它部件，如叶片、塔架和传动链的固有频率在某个速度点上重合，
从而导致共振。当部件的优化设计无法解决共振问题时，通过控制策略来避免
机组运行在共振转速点是唯一可行的方法。一般情况下，共振转速在并网转速
和额定转速之间，因此在常规控制策略中，围绕这一区域的控制策略都是针对
于转矩控制器而进行的优化设计。
在目前公开的文献中，有两种控制策略来建立和跨越包含共振转速在内的
转速禁区，避免机组运行在特定的转速范围，分别为荷兰风能研究机构ECN提
出的转速-转矩非线性函数法[参考文献：Crossingresonancerotorspeedsofwind
turbines](方法1)和GH公司提出的基于PI控制的斜率设定法[参考文献：The
Designofclosedloopcontrollersforwindturbines](方法2)。基于常规的转速-转
矩查表转矩控制方法，虽然没有相关专利文献公开它的具体设计方案，但方法1
在风电控制系统中已经得到广泛应用，例如明阳风电的两叶片机组控制系统的
应用中。方法2基于转速-转矩的PI控制，虽然GH公司有相关文献中讲述过它
的原理，但目前只有明阳风电申请了基于这一方法的专利设计[参考专利：一种
避开风电塔架固有频率点的控制方法]。但上述文献及专利中，针对具有转速禁
区的控制策略设计局限于常规控制模式下，也即机组运行在最大风能获取的模
式下。
随着电力系统中风电比重的不断攀升，为维持电网系统的稳定性，风电系
统被要求和常规能源一样进行调度控制。无论对于目前集中大电网系统和离网
孤岛电网，还是将来的分布式电网系统中，来自于电网调度指令下的限功率控
制都将会是风电机组的常规运行模式。对于一般风电机组，限功率控制方法已
经在众多文献中被加以研究，例如[参考文献：Comparativestudyonthe
performanceofcontrolsystemsfordoublyfedinductiongenerator(DFIG)wind
turbinesoperatingwithpowerregulation]中针对双馈风电机组比较研究了三种限
功率控制策略。在专利申请方面，先后有华北电力大学公开的风电场限功率运
行控制方法及系统[参考专利：一种控制风电机组限功率运行的方法及系统]，金
风科技公开的限功率控制方法[参考专利：一种风机的限功率运行控制方法、装
置及系统]和国电联合动力公开的限功率方法[参考专利：一种变速变桨距风电机
组全风速限功率优化控制方法]。但上述文献和专利只考虑全转速范围正常的机
组控制，无法满足具有转速禁区的机组需求。
对于具有转速禁区的机组，需要结合它原有控制策略的特点来设计合适的
限功率控制策略，满足机组在常规控制模式和限功率控制模式下的功率输出要
求，以及自身的载荷约束。通过研究具有转速禁区机组的常规控制策略，考虑
限功率控制下的特殊需求，本发明提出一种解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种设有转速禁区的
风电机组限功率控制方法，能有效解决此类具有转速禁区的机组的限功率运行
问题。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种设有转速禁区的风电
机组限功率控制方法，所述风电机组限功率控制方法以转速设定作为第一控制
目标，功率输出作为第二控制目标，通过将限功率值的大小和常规控制策略中
的转速禁区值比较，进而划分出允许转速设定区域，确保机组在运行过程中有
效避开转速禁区的同时，输出期望的功率，并且将控制性能指标分成三类：载
荷降低作为主要指标，载荷降低和发电量优化的综合指标和发电量优化作为主
要指标，选择不同的转速设定值，即可满足机组不同设计类型的性能需求；其
包括以下步骤：
1)根据限功率值和转速禁区的功率限制值的比较结果，将转速设定目标范
围划分为第一区域和第二区域；
2)根据控制性能指标，从对应的目标区域中选择所需的转速设定值作为变
桨控制器和转矩控制器的输入；
3)根据转速设定值的设定，变桨控制器和转矩控制器在常规控制器的作用
下进行输出。
在步骤1)中，将限功率值和转速禁区的功率限值中的大值进行比较；
当限功率值在[0，转速禁区的功率限制的大值]范围内，转速设定目标限制
在第一区域；当限功率值在[转速禁区的功率限制的大值，额定功率]范围内，转
速设定目标限制在第二区域；
第一区域位于[并网转速，转速禁区的下限转速]范围，第二区域位于[转速
禁区的下限转速，额定转速]范围；
为避免限功率值频繁变化引起的转速设定目标在第一区域和第二区域之间
的来回切换，设定等待时间使转速设定目标区域在等待时间内不会进行区域切
换；
当转速设定目标在第一区域和第二区域之间切换时，设置斜率限制，避免
转速设定值在切换过程中的突变。
在步骤2)中，所述控制性能指标分为三种：载荷降低作为主要指标，载荷
降低和发电量优化的综合指标和发电量优化作为主要指标；
转速设定值的选择分为三种模式：最小转速设定、中间转速设定和最高转
速设定，分别与载荷降低、综合指标和发电量优化三种性能指标对应；
当转速设定目标位于第一区域时，最小转速设定选择限功率值对应的最低
转速，最高转速设定选择转速禁区的下限转速，中间转速设定选取最小转速和
最高转速的平均值；
当转速设定目标位于第二区域时，最小转速设定选择转速禁区的上限转速
和限功率值对应的最低转速之间的较小值，最高转速设定选择额定转速，中间
转速设定选取最小转速和最高转速的平均值；
限功率值对应的最低转速根据预先设定的查表值进行计算得到，查表点根
据电气部件的容量与转速之间的约束关系设置。
在步骤3)中，转速设定值分别作为常规变桨控制器和转矩控制器的给定输
入，常规变桨控制器维持原状，转矩控制器需要进行限幅后进行输出；
转矩控制器的限幅上限值取限功率值乘以特定系数除以当前转速值，该特
定系数等于限功率下的允许的最大功率与限功率值的比值。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本发明提出的限功率控制方法能有效解决此类具有转速禁区的机组的限功
率运行问题。通过将限功率值的大小和常规控制策略中的转速禁区值比较，进
而划分出允许转速设定区域，确保机组在运行过程中有效避开转速禁区的同时，
输出期望的功率。同时，将控制性能指标分成三类，选择不同的转速设定值，
即可满足机组不同设计类型的性能需求。因此，在只对常规控制策略下做有限
修改的情况下(对转矩控制器输出加入利用限功率值计算得到转矩限制值)满
足机组常规运行和限功率运行，本发明提出的技术方案能很方便地应用于现有
的控制策略。根据经验，在限功率运行模式下，较高的运行转速在提升机组能
量捕获的同时也加大机组主要部件的载荷。基于此经验，在允许转速设定区域
选择合适的转速设定值，即可满足考虑机组不同运行时期和不同风况下对控制
性能的不同需求，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为常规运行模式下，具有转速禁区的机组的转矩控制特性曲线图之一。
图2为常规运行模式下，具有转速禁区的机组的转矩控制特性曲线图之二。
图3为本发明所述风电机组限功率控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
在介绍本发明方法之前，需要对具有转速禁区的常规运行模式下的控制策
略进行介绍。常规运行模式下，具有转速禁区的机组的转矩控制特性曲线分为
如附图1和附图2所示的两种。
图1所示的机组转矩控制特性曲线中，B-C所描述的转速范围为转速禁区，
A-B和C-D所描述的转速范围为转速禁区的邻域。在A-D所表征范围以外的转
速内，按照最优转矩设置转速-转矩查表点。图1所示的转速禁区的特征在于，
转速A和D点对应的功率点为最佳功率点，而B和C点对应的功率点则为转速
禁区中的功率限值。为保证B-C段转速-转矩曲线为非稳定运行曲线，B点功率
值大于C点功率点。
图2所示的机组转矩控制特性曲线中，C-E所描述的转速范围为转速禁区。
在A-B-C和F-G-H所描述的转速范围内，转速-转矩特性曲线按照最优转矩曲线
设置。图2所示的转速禁区的特征在于，转速C和F点对应的功率点为最佳功
率点，而D和E点对应的功率点则为转速禁区中的功率限值。为保证机组不会
频繁跨越在转速禁区C-E段来回跨越，D点功率值大于E点功率点。
为实现常规控制和限功率控制之间的柔性切换，同时控制机组转速在转速
禁区范围外，本发明提出的限功率方法以转速设定作为第一控制目标，功率输
出作为第二控制目标，如图3所示，包括以下步骤：
1)根据限功率值和转速禁区的功率限制值的比较结果，将转速设定目标范
围划分为第一区域和第二区域。
2)根据控制性能指标，从对应的目标区域中选择合适的转速设定值作为变
桨控制器和转矩控制器的输入。
3)根据转速设定值的设定，变桨控制器和转矩控制器在常规控制器的作用
下进行输出。
在步骤1)中，将限功率值和转速禁区的功率限值中的大值进行比较；
当限功率值在[0，转速禁区的功率限制的大值]范围内，转速设定目标限制
在第一区域；当限功率值在[转速禁区的功率限制的大值，额定功率]范围内，转
速设定目标限制在第二区域；
第一区域位于[并网转速，转速禁区的下限转速]范围，第二区域位于[转速
禁区的下限转速，额定转速]范围；
为避免限功率值频繁变化引起的转速设定目标在第一区域和第二区域之间
的来回切换，设定等待时间使转速设定目标区域在等待时间内不会进行区域切
换；
当转速设定目标在第一区域和第二区域之间切换时，设置斜率限制，避免
转速设定值在切换过程中的突变。
在步骤2)中，控制性能指标分为三种：载荷降低作为主要指标，载荷降低
和发电量优化的综合指标和发电量优化作为主要指标；
转速设定值的选择分为三种模式：最小转速设定、中间转速设定和最高转
速设定，分别与载荷降低、综合指标和发电量优化三种性能指标对应；
当转速设定目标位于第一区域时，最小转速设定选择限功率值对应的最低
转速，最高转速设定选择转速禁区的下限转速，中间转速设定选取最小转速和
最高转速的平均值；
当转速设定目标位于第二区域时，最小转速设定选择转速禁区的上限转速
和限功率值对应的最低转速之间的较小值，最高转速设定选择额定转速，中间
转速设定选取最小转速和最高转速的平均值；
限功率值对应的最低转速根据预先设定的查表值进行计算得到，查表点根
据电气部件(主要指发电机和变流器)的容量与转速之间的约束关系设置。
在步骤3)中，转速设定值分别作为常规变桨控制器和转矩控制器的给定输
入，常规变桨控制器维持原状，转矩控制器需要进行限幅后进行输出；
转矩控制器的限幅上限值取限功率值乘以特定系数除以当前转速值，该特
定系数等于限功率下的允许的最大功率与限功率值的比值。
综上所述，本发明通过将限功率值的大小和常规控制策略中的转速禁区值
比较，进而划分出允许转速设定区域，确保机组在运行过程中有效避开转速禁
区的同时，输出期望的功率。同时，将控制性能指标分成三类，选择不同的转
速设定值，即可满足机组不同设计类型的性能需求。因此，在只对常规控制策
略下做有限修改的情况下(对转矩控制器输出加入利用限功率值计算得到转矩
限制值)满足机组常规运行和限功率运行，本发明提出的技术方案能很方便地
应用于现有的控制策略。根据经验，在限功率运行模式下，较高的运行转速在
提升机组能量捕获的同时也加大机组主要部件的载荷。基于此经验，在允许转
速设定区域选择合适的转速设定值，即可满足考虑机组不同运行时期和不同风
况下对控制性能的不同需求，具有广泛的应用前景，值得推广。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实
施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范
围内。