【关键词】双馈发电机 功率控制 PI 控制器
非线性单纯行算法 变桨距控制
风能作为一种清洁的可再生能源, 具有不
需要燃料、不占用耕地、污染少、储量丰富和
开发潜力巨大等突出优势。近年来, 随着化石
能源危机、环境污染和温室效应等问题的进一
步加剧, 人们对低成本、无污染、可再生的新
能源发电方式的关注度逐渐增加, 风力发电也
已成为当今世界应用最广、发展最快、技术最
为成熟的可再生能源发电方式。但由于风能具
有随机性、间歇性以及难以预测和控制等特点
使风力发电机的输出功率随着风速随机波动
的, 因此其对电网产生的不利影响也不容人们
的忽视，大规模风电并网后, 由于风电场输出
功率的随机性与波动性, 电力系统调度和电能
质量都面临新的问题。当风电“穿透功率”高
到一定程度时, 电网的安全稳定运行更面临挑
战。因此, 对风电场功率输出进行综合控制以
适应风电的迅速增加, 是当前电力系统运行中
迫切需要解决的问题, 也是促进风电更好发展
的需要。
因此，本文提出基于PI 调节控制器的双
馈风电机组功率控制方法，提高风电中功率控
制的有效性。双馈风电机组PWM 变换器是双
文/刘超 王世荣 刘芳园 杨帅
本文提出了一种基于PI 控制
器利用非线性单纯形算法的功率
控制策略，通过该控制器对控制
参数进行优化，再结合变桨距控
制法，实现对双馈风电机组功率
的有效控制。经仿真结果证明，
利用该控制器可以改善双馈风电
机组功率控制系统的各项动态性
能，提高控制精度，且具有良好
的鲁棒性。
摘 要
馈风力发电机的核心部件，其控制效果的好坏
直接决定双馈风力发电机的电能质量。PWM
变换器通常采用PI 控制器、内模控制器、模
糊控制器，其中PI 控制器结构简单、鲁棒性
较强，通常作为复杂非线性动态系统的基本控
制器。本文基于此，将PWM 变换器与PI 控
制器相结合的控制思路用于风电功率控制，并
对此展开研究, 在理论探索和指导工程实践方
面都有十分重要的意义。
1 PI调节控制器的功率控制策略
1.1 PI调节控制器的优化技术
本节主要讲述了一种基于PI 调节控制器
的优化技术，该控制器利用非线性单纯形算法
输出最优控制参数，实现对桨距角β 的精确控
制，具体流程见图1。控制器引入时间乘绝对
误差积分（ITAE）指标用于PI 控制参数优化,
其数学表达式为：
通常选择T 值为调节时间Ts，e(t) 为误差
函数。ITAE 综合考虑了PI 控制器稳态误差与
调节时间的性能指标，是自适应控制系统和多
输入多输出控制系统的最佳性能指标之一。
在RTDS 环境下，对搭建的双馈型风机
模型进行控制系统参数优化, 利用RTDS 的
CBuilder 模块, 通过Java 语言编程, 建立一个
新的能够实现非线性单纯形算法功能的原件,
且该元件能够循环运行、自动编译，实现PI
控制器参数优化的目的。
通过对转子侧变换器PI 参数优化的具体
方法，即在系统稳定运行在0.9pN 的状态下，
在t=5s 时分别使PWM 变换器的转速给定值
和无功功率给定值发生在0.1p.u. 阶跃，200ms
后恢复至初值，通过仿真寻找令目标函数值最
小的PI 控制器的参数。
设定转子这样就可以得到测量时接地侧
变换器目标函数为：
ω* 式中、Q* 分别为转速、无功功率给
定值；ω、Q 分别为转速、无功功率计算值。
1.2 PI调节控制器的功率控制原理
基于风速的风力机输出功率控制方法, 当
风速在切入风速和额定风速之间变化时, 采用
变速控制方法, 追踪最佳功率曲线, 获得最大
功率；当风速在额定风速和切出风速之间变化
时，采用变桨距控制方法, 调节桨叶桨距角的
变化，保持额定功率不变。该方法的特点为能
根据风速的大小选用不同的控制方法, 实现风
力机最大功率的输出, 提高了发电机组风能利
用效率，同时保证了风力机运行的稳定性和可
靠性。
本节主要讲述了通过PI 控制器对监测到
的风速进行优化处理，然后输出最优控制参数
作用于控制器，从而精确控制桨距角随风速的
变化，提高风电的功率控制效率，其变桨控制
算法控制流程如图2 所示, 其中：V 为风速；
P 为功率；P* 为功率给定值；λ 为尖速比；λopt
为最优尖速比；ω 为风轮角速度；ω* 为风轮
角速度给定值；n 为齿轮箱传动比；R 为风轮
半径；β 为桨距角；Cp 为风能系数。
变桨控制具体实施流程如下：
（1）风力发电机组并网后，初始化控制
系统, 桨距角β=0, 并判断风速大小。
（2）当风速小于切入风速，PI 控制器将
检测到的风速信号经过进行优化处理，将处理
的后的参数传给风力机控制器，风力机控制器
经判断不动作风力机。
（3）当风速在切入风速和额定风速之间
变化时，PI 控制器将检测到的风速信号经过
进行优化处理，将处理的后的参数传给变速控
制器，控制器发出驱动信号，通过齿轮箱调节
发电机转速ω，并和给定值ω* 相比较构成一
个闭环反馈自动控制系统，追踪最佳功率曲线
变化，获得最佳风能系数，
从而捕获最大功率
图1：双馈风电机组控制系统PI 参数优化流程图图2：变桨控制流程图
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。
（4）当风速大于额定风速、小于切出风
速，PI 控制器将检测到的风速信号经过优化
处理，将处理的后的参数传给控制器, 变速控
制器停止工作，而变桨距控制器开始工作, 根
据功率传感器测得的功率信号P 和功率给定值
p* 相比较，由控制器发出驱动信号，使得液
压变桨距机构动作调节桨叶桨距角的变化，获
得变化的构成一个闭环反馈自动控制
系统，保持额定功率不变；
（5）当风速大于切出风速,PI 控制器将
检测到的风速信号经过进行优化处理，将处理
的后的参数传给风力机液压控制器，驱动风力
机液压刹车机构开始动作, 风力机停止工作,
风电机组切出电网。
2 仿真与分析