基于轉(zhuǎn)速測量的風力機獨立控制仿真

張 博，張一工

（華北電力大學，北京 102206）

0 引言

目前，風能是發(fā)展最快、最具競爭力的新能源之一。風力發(fā)電技術(shù)的各個方面都得到了迅速的發(fā)展,各種新式的風力發(fā)電機、功率變流器、先進控制等技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用[1-15]。然而風力發(fā)電有其自身的缺點：自然界中風的變化具有很強的不確定性和隨機性，這為風力發(fā)電機組的穩(wěn)定運行及控制帶來極大的挑戰(zhàn)；風力發(fā)電場大多地處偏遠，環(huán)境惡劣，這給風力發(fā)電機組的調(diào)試與檢修帶來極大的困難和極高的成本。這些迫切需要在實驗室條件下對風力機進行深入研究。本文采用MATLAB/Simulink仿真軟件對風力機的運行狀態(tài)和控制策略進行討論,Simulink能夠顯示模型所示實物的實際運動形式[16]。

風力機的正常運行狀態(tài)分為：1.額定風速以下發(fā)電機的最大風能捕獲控制狀態(tài) （此時并未對風力機施加控制）；2.額定風速以上風力機的槳葉節(jié)距角的控制狀態(tài)。在實際的風力發(fā)電機組中，基于風速測量的控制策略缺乏實用性、準確性與可靠性。原因如下：1）風速的快速變化及不同測風點的風速測量值存在差異；2）風力計本身存在測量誤差；3）當系統(tǒng)發(fā)生故障時，基于風速測量的控制策略不能使風力機組擁有低電壓穿越能力（LVRT）。文獻[17]采用了風速估計的算法，但同時增加了控制策略的復(fù)雜性。眾所周知機械轉(zhuǎn)速測量非常簡單可靠，因此本文將額定風速上的槳葉節(jié)距角β（Beta）控制策略轉(zhuǎn)化為風力機額定轉(zhuǎn)速以上的β控制，并以一種簡單的控制方式將1，2兩種工作狀態(tài)聯(lián)系起來。

風力機自身存在其物理特性：確定的風力機轉(zhuǎn)速，風速與槳葉節(jié)距角產(chǎn)生確定的空氣動力矩，空氣動力矩可以突變。風力機通過傳動軸帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動?？諝鈩恿嘏c負載力矩共同作用造成風力機轉(zhuǎn)速的變化，發(fā)電機側(cè)的控制策略僅對風力機產(chǎn)生間接影響。目前大多數(shù)文獻不區(qū)分發(fā)電機側(cè)與風力機側(cè)的控制策略，通過風力機模型計算風力機最佳轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速作為參考狀態(tài)，直接控制系統(tǒng)使其穩(wěn)定在參考狀態(tài)下，如[18][19]，然而這種方法其動態(tài)過程并不符合實際的物理特性。為反映風力機真實的運行狀況。本文將發(fā)電機視為風力機的負載轉(zhuǎn)矩，獨立研究風力機額定轉(zhuǎn)速以下的自由特性，及額定轉(zhuǎn)速以上的受控特性。

1 風力機的數(shù)學表達

根據(jù)空氣動力學，風力機產(chǎn)生的空氣動力矩為：

式中，Ta為風輪產(chǎn)生的氣動轉(zhuǎn)矩，N·m；ρ為空氣密度，kg·m3；A為槳葉掃掠的面積，m2；R是風輪半,m；速,m/s；ω為風機角速度，rad/s；β為槳葉節(jié)距角。

另外系統(tǒng)從風輪獲得的風能為：

忽略摩擦，系統(tǒng)的軸系動態(tài)模型為：

式中，J為風輪的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m3。 Te為發(fā)電機負載的電磁轉(zhuǎn)矩。

據(jù)有關(guān)資料的記載和研究[20],風能利用系數(shù)可近似表示為：

通過變化參數(shù)x可改變風力機運行的速度范圍。本文中取x=25。

2 實驗?zāi)Ｐ偷拇罱?/h2>

2.1 風力機運行的物理過程分析

實際的風力發(fā)電機組中運行過程為：設(shè)此時風速為額定風速，風力機啟動，空氣動力矩Ta隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，此時對發(fā)電機側(cè)施以最大風能捕獲控制，則其電磁轉(zhuǎn)矩Te相應(yīng)的增加。當風力機轉(zhuǎn)速達到額定值時，Ta按風力機轉(zhuǎn)矩曲線達到最大值，Te最終也達到最大值并與之相互平衡。風力機組達到額定工作點并進入恒功率控制階段。發(fā)電機采取定電磁力矩控制。在理想條件下對于風力機相當于定負載轉(zhuǎn)矩Te恒定而無波動。由P=ωTe需要進行風力機轉(zhuǎn)速ω恒定控制才能使功率保持恒定。若此時風速突變高于額定風速，風力機轉(zhuǎn)速升高，風力機組進入2狀態(tài)，通過控制槳葉節(jié)距角β使空氣動力矩與轉(zhuǎn)速能夠跟蹤其原設(shè)定值。額定工作點為風機運行狀態(tài)1，2的臨界點，額定風速以上的β角控制與風力機額定轉(zhuǎn)速以上的β角控制等效。

2.2 仿真模型分析

根據(jù)以上指導思想搭建出仿真系統(tǒng)如圖1。

圖1 仿真系統(tǒng)

系統(tǒng)包含3個子系統(tǒng)：Wind-turbine子系統(tǒng)，PI調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，和Beta-control子系統(tǒng) （細節(jié)見虛線框內(nèi)）。 對于Wind-turbine，R與ρ為定值，ω，v的變化引起空氣動力矩Ta的變化。Ta與發(fā)電機電磁力矩Te之差作用在風機轉(zhuǎn)動慣量上，經(jīng)積分得到風力機的轉(zhuǎn)速ω。ω與風力機機參考轉(zhuǎn)速相比較，差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)與Beta-control最終輸入Wind-turbine形成閉環(huán)。圖中增益G=-1規(guī)定了β角的開啟方向：當風力機轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速時，β角開啟。本文系統(tǒng)對β設(shè)定了死區(qū)使其在0°～15°之間變化，當轉(zhuǎn)速小于額定值時，β保持0°，相當于Beta-control子系統(tǒng)被閉鎖。此系統(tǒng)簡單地將風力機的2種運行狀態(tài)統(tǒng)一起來。

Wind-turbine所模擬的風力機為沈陽風電SUT200 kW，其參數(shù)為：槳葉半徑：12 m，葉輪轉(zhuǎn)動慣量：350kg·m3，額定轉(zhuǎn)矩：8100N·m，額定功率：200 kW，空氣密度：1.225 kg·m3，額定轉(zhuǎn)速：12.5 rad/s，額定風速：15 m/s。

Beta-control所模擬的是電動機節(jié)距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使槳葉繞其徑軸轉(zhuǎn)動，設(shè)置死區(qū)避免了電機連續(xù)接受調(diào)節(jié)命令而損壞。變槳距的速率決定于給定節(jié)距角和測量值之間的偏差，限幅±50°/s，槳距變化速率經(jīng)積分得到槳距。在真實風力機的運行中β角不能突變，此模擬方法充分尊重了事實。

3 仿真實驗與結(jié)果分析

3.1 正常狀態(tài)分析

給風力機加額定風速，風力機轉(zhuǎn)速提高，此時未加入負載轉(zhuǎn)矩，空氣動力矩的上升曲線表現(xiàn)了風力機的自由物理特性。當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速時，加入與空氣動力矩相等的負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速不再發(fā)生變化。此過程相當于在額定工作點實現(xiàn)了最大風能捕獲。在1.5 s時刻，風速突然變?yōu)?8 m/s，空氣動力矩突變，風力機轉(zhuǎn)速提高（由于控制系統(tǒng)能迅速響應(yīng)，因此整個過程中其轉(zhuǎn)速變動并不顯著）β角迅速開啟并最終穩(wěn)定在某一特定值上，同時風力機轉(zhuǎn)速回到額定轉(zhuǎn)速，空氣動力矩經(jīng)過震蕩最終與也負載力矩平衡。在2 s時刻，風速突變?yōu)?6 m/s，此過程與前述過程相反，空氣動力突降后隨即上升；風機轉(zhuǎn)速先降低后升高。由于β角迅速關(guān)閉并穩(wěn)定，二者皆良好的追蹤了其原設(shè)定值。仿真波形如圖2。

圖2 正常狀態(tài)下風力機空氣動力矩、轉(zhuǎn)速、槳葉節(jié)距角波形

上述仿真實驗對應(yīng)與實際風力發(fā)電機組正常運行狀態(tài)下的最大風能捕獲過程。當風速變化時，槳葉節(jié)距角可向正負兩方向變動，維持風力機的空氣動力矩與轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)恒定。本仿真驗證了基于轉(zhuǎn)速測量的風力機槳葉節(jié)距角控制的正確性。

3.2 故障狀態(tài)分析

啟動過程與3.1相同，當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速時，加入負載轉(zhuǎn)矩，此負載轉(zhuǎn)矩小于此時風機產(chǎn)生的空氣動力矩，相當于發(fā)電機側(cè)并未進行最大風能捕獲控制，不妨設(shè)加入的負載力矩Te=6 000。風力機轉(zhuǎn)速將繼續(xù)提高，此時β迅速開啟并穩(wěn)定在特定值上，空氣空力矩迅速減小，經(jīng)過震蕩最終與負載力矩平衡，風機轉(zhuǎn)速也回到額定轉(zhuǎn)速。在2秒時刻，負載轉(zhuǎn)矩變?yōu)轭~定值，β角迅速關(guān)閉至0°，空氣動力矩與風機轉(zhuǎn)速皆良好的追蹤了其原設(shè)定值。仿真波形如圖3。

圖3 故障狀態(tài)下風力空氣動力矩、轉(zhuǎn)速、槳葉節(jié)距角波形

上述仿真實驗對應(yīng)于實際風力發(fā)電機組的故障運行過程。當風力機組端電壓母線附近發(fā)生短路故障，風力機端電壓降低使得發(fā)電機不能實現(xiàn)捕獲最大風能捕獲控制。此時風力的β角迅速開啟避免了風力機轉(zhuǎn)速失控造成的飛車事故，同時對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定提供了支持。這使得風力機組獲得了低電壓穿越能力。本仿真實驗一方面驗證了風力機獨立于發(fā)電機的運行與控制過程，另一方面驗證了基于轉(zhuǎn)速測量的風力機槳葉節(jié)距角控制的實用性與可靠性。

4 結(jié)論

1）本文構(gòu)建了獨立的風力機運行的仿真系統(tǒng)，并遵循了空氣動力矩可以突變而槳葉節(jié)距角不可以突變的事實；

2）將額定風速以上的β控制轉(zhuǎn)化為風力機額定轉(zhuǎn)速以上的β控制，再現(xiàn)了風力機額定轉(zhuǎn)速下的自由特性及額定轉(zhuǎn)速以上的受控特性；

3）本文通過討論風力機組的正常與故障運行狀態(tài)驗證了風力機的LVRT能力。證明了實驗仿真方法的正確性與實用性。

[1] 白建華，辛頌旭，賈德香，等.中國風電開發(fā)消納及輸送相關(guān)重大問題研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010,26（1）:14-17.

[2] 湯凡，劉天琪，李興源.用于風電場功率控制的飛輪儲能系統(tǒng)仿真研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010,26（2）:63-68.

[3] 袁帶英，劉勇彪.基于VC++的風力機主軸強度分析系統(tǒng)設(shè)計[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010,26（1）:65-67.

[4] 黃知龍，劉沛清，趙萬里.某兆瓦級水平軸風力機葉片氣動設(shè)計和性能評估[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010,26（1）:68-72.

[5] 喻新強.西北電力系統(tǒng)如何應(yīng)對大規(guī)模風電開發(fā)與利用[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009,25（8）:1-6.

[6] 安天瑜，王震宇，金邇洙，等.電力系統(tǒng)風險研究現(xiàn)狀[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009,25（9）:4-10.

[7] 屠強.風電功率預(yù)測技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及運行建議[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009,25（10）:4-9.

[8] 宋偉偉，李強，袁越.雙饋風電機組接入地區(qū)電網(wǎng)后的電壓穩(wěn)定分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009,25（5）:36-40.

[9] 王傳杰，向彥彬.分頻風電系統(tǒng)頻率控制策略研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009,25（3）:43-47.

[10]沙非，馬成廉，劉闖，等.變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)及其控制技術(shù)研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009,25（1）:44-47.

[11]黃棟，李懷霞，張振.風電產(chǎn)業(yè)全球態(tài)勢與政府政策[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009,25（2）:46-49.

[12] 黃毅誠.大力發(fā)展風電[J].電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（7）：1-2.

[13]謝長軍.大發(fā)展背景下的風電開發(fā)建設(shè)路徑選擇[J].電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（12）：1-3.

[14]施鵬飛.全球風力發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)與清潔能源，2008，24（7）：3-5.

[15]Thomas Ackermann,Lennart Soder.Wind Energy Technology and Current Status:a Review.Renewable and Sustainable Energy Reviews[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2000,(4):315-374.

[16]黃永安，李文成，高小科.Matlab7.0/simulink 6.0應(yīng)用實例仿真與高效算法開發(fā) [M].清華大學出版社，2008：287-311.

[17]葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術(shù)[M].2版.機械工業(yè)出版社，2005：182-198.

[18]李建林，許洪華.風力發(fā)電中的電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008:234-237.

[19]劉劍，李建林.一種簡單易行的風力機模擬器[J].電氣傳動，2007,37(10):3-6.

[20]Ezzeldin SAbdin,Wilson Xu.Control Design and Dynamic Performance Analysis of a Wind Turbine-Induction Generator Unit.IEEE Trans.on EC[J].2000,3(15):91-96.