如果風機有人類的感知，它定能感受到兩方面的壓力：一方面，業(yè)主總是希望通過降低風機設備成本，以應對電價下行帶來的盈利難題；另一方面，風能資源越來越稀缺，業(yè)主希望把好用的風機放到來之不易的機位，這讓風機間的競爭更加激烈了。
低風速和海上區(qū)域已然成為風機的必爭之地。必須提及的是，這兩個區(qū)域的風機都需要配置較大直徑的風輪，其道理也很簡單，陸上低風速風電場需要大風輪捕獲盡可能多的能量，海上風電場則需要單機功率更大的風機，大風輪是其必須的選項。
但問題是，傳統(tǒng)的控制策略能夠控制好風機的大風輪嗎？好難！而且風輪越大越難控制，這是因為傳統(tǒng)控制策略的缺陷在大風輪面前成了大缺陷，大缺陷會帶來大問題。
那么，先來認識一下風機傳統(tǒng)控制策略，看看它究竟有什么缺陷？
下圖是經(jīng)典的風機控制過程，可看出三層意思：
經(jīng)典風機控制曲線
一是在風輪達到額定轉速前，保持槳距角固定，通過發(fā)電機轉矩控制來實現(xiàn)最優(yōu)功率軌跡跟蹤；二是在風速進一步上升而功率未達到額定前，由轉矩閉環(huán)控制來穩(wěn)定風輪轉速；三是當風速達到額定之后，由變槳閉環(huán)控制來穩(wěn)定風輪轉速，扭矩即可以保持恒定，也可以做簡單調整來實現(xiàn)更穩(wěn)定的輸出功率。
這種控制策略最明顯的特征是獨立，變槳和轉矩分別屬于不同的環(huán)路，彼此解耦。其最大的優(yōu)勢就是簡單、穩(wěn)定，在經(jīng)過精心整定后，可以達到非常可靠的控制性能。
請注意的是，經(jīng)典控制方法在Cp曲線上的軌跡，如下圖所示。
傳統(tǒng)葉片功率捕獲軌跡
使用雙饋變頻器的風機，需要在小風時保持發(fā)電機轉速不低于變頻器設定的并網(wǎng)轉速下限。隨著風速增加，葉尖速比變小，構成了圖中的A段直線。順便插一句話，遠景變頻器雙模技術就是通過把這段Cp拉回最大值達到提升發(fā)電量的目。這一段也是Cp逐漸上升達到葉片最大捕獲效率點的過程。脫離直線段后，為了使Cp保持在最大值點，先保持槳距角在最優(yōu)槳距角位置，通過調整轉矩，使葉尖速比保持在設計的最優(yōu)狀態(tài)，也就是對應的圖中B點。當風速達到額定值后，需要減小Cp使得捕獲功率不超過額定值。此時因為風輪轉速已經(jīng)達到額定上限，所以葉尖速按照固定的范圍變化，只能通過改變槳距角來減小Cp，對應圖中C段弧線部分。
由此可見，傳統(tǒng)控制策略的缺陷在于，A直線段的Cp顯然沒有充分利用。
即使轉速受限，不能自由調節(jié)，仍然可以通過變槳增大Cp，以回收部分損失發(fā)電量，達到次優(yōu)狀態(tài)。更好的方案是遠景變頻器雙模技術，可以直接達到小風狀態(tài)的最優(yōu)捕獲。低風速是絕對發(fā)電功率小，它對風機全年發(fā)電量的提升大約在0.5～2%之間。
還須注意的是，風機的最大功率捕獲段只有一個點，也就是上圖中的B點，對應唯一的槳距角和葉尖速比數(shù)值。任何一個參數(shù)偏離，就會導致捕獲效率下降，而真實的風速總是存在時間、空間的變化，風輪轉速也跟著變化，但因為傳動鏈的巨大慣性，風輪轉速變化總是落后于風速變化，導致葉尖速比偏離，對應下圖中直線段軌跡。在這個區(qū)間的傳統(tǒng)策略只有扭矩控制，而同樣因為巨大慣性的原因，改變扭矩無法使葉尖速比快速回到最優(yōu)值。如果同時使用變槳和扭矩控制，只需要槳距角產(chǎn)生±2度之內的變化，就可以快速將風機重新拉回到一個次優(yōu)的位置，對應圖中虛線軌跡。
最大功率捕獲段
風機控制的目標應該是更高的發(fā)電量和更小的疲勞、極限載荷，但在傳統(tǒng)控制方法中考慮的只有靜態(tài)發(fā)電量的最大化，不但沒有充分考慮動態(tài)情況，更沒有考慮載荷因素。
葉片特性是非線性的，同時受到葉尖速比和槳距角兩個因素的影響，最有效的控制方法是同時使用轉矩和變槳，傳統(tǒng)的控制方法是將轉矩和變槳解耦簡化，做成了兩個獨立的單入單出（SISO）控制環(huán)，每次只變其中一個，這就犧牲了發(fā)電量。
關于發(fā)電量損失，值得提醒的是，除了控制算法自身的問題，還有多個因素會直接導致發(fā)電量的降低：
一是機位環(huán)境因素。目前陸上風機大多立到丘陵、山地地區(qū)，不同風向的風有不同的特點，比如不同的湍流強度、入流角、沿高度方向的方向變化、風剪切等，這些都可能會造成風機發(fā)電量的損失和承受超出設計的載荷。
二是理論模型與實際系統(tǒng)的誤差。這種差異遍布于轉矩、槳距角等各方面。作為風速到達額定前的槳距角設定，每個葉片都有自己的最優(yōu)槳距角參數(shù)，而真實風機在葉片安裝、對零方面總會存在各種誤差，葉片經(jīng)過一段時間運行后也會因為表面光潔度變差，而導致氣動參數(shù)與理想條件的差異，最終導致控制系統(tǒng)設定的理論最優(yōu)槳距角不是真實的最優(yōu)值，因此帶來發(fā)電量損失。同樣的問題，也在轉矩控制環(huán)節(jié)存在。當前風機沒有直接的轉矩測量，真實轉矩的反饋要依賴變頻器，而變頻器內部轉矩經(jīng)過了多個環(huán)節(jié)物理量的轉換和信號處理，最終引起理論轉矩設定與傳動鏈上實際值的差異，進而引起風輪葉尖速比與理論值的差異，帶來發(fā)電量損失。
三是風機內的周期性振動。風機是個大型旋轉機械，不可避免的存在各種模態(tài)的振動。在沒有引起大幅共振情況下，這種振動往往被忽略，但是他們會引起部件疲勞載荷的增加和發(fā)電量的損失。風機中最典型的振動，就是與風輪轉速同步的1P振動和3葉片下的3P振動、傳動鏈自然頻率振動、塔筒自然頻率振動，以及葉片的面內、面外振動。從發(fā)電量角度看，這些振動都會反映到風輪轉速上，從宏觀上使得葉尖速比、槳距角等偏離理論最優(yōu)，從微觀上引起葉片上氣流壓力和分離位置的不穩(wěn)定。
到此，應來談談風機傳統(tǒng)控制策略的改進問題了。遠景工程師愿意分享其控制策略上的實際做法和心得，以改變風機傳統(tǒng)控制策略上存在的缺陷，其要點體現(xiàn)在以下方面：
一方面，遠景控制算法內置對周圍環(huán)境因素的統(tǒng)計，隨著環(huán)境信息的累積，以載荷和發(fā)電量為目標改變風機自身的行為，并且跟蹤環(huán)境因素的變化，如季節(jié)和天氣的變化，使風機運行有更好的適應性。
另一方面，遠景風機的標準標定流程，矯正真實運行環(huán)境與理論參數(shù)的差異。
此外，對于抑制1P、3P等振動，遠景開發(fā)了整套先進控制算法，使得各種振動抑制達到了更高的水平。
