大型風(fēng)電機組變速變槳距協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究

徐浩，夏安俊，胡書舉，趙斌

（1.中國科學(xué)院 風(fēng)能利用重點實驗室，北京100190；2.中國科學(xué)院 電工研究所，北京100190；3.中國科學(xué)院 研究生院，北京100049）

1 引言

變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機組是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流方向，能夠確保風(fēng)電機組在風(fēng)速較小時通過調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，可以使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速，提高風(fēng)能利用效率，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲；在風(fēng)速較大時，通過調(diào)節(jié)葉片槳距角限制風(fēng)力機的能量輸入，從而控制發(fā)電機輸出功率平穩(wěn)，提高風(fēng)力機組啟動性能與制動性能，減小槳葉受力不平衡，抑制塔架振動，降低機組結(jié)構(gòu)載荷，提高機組的柔性度等?？刂葡到y(tǒng)是機組的關(guān)鍵部件之一，控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣對風(fēng)機運行的效率和使用壽命有至關(guān)重要的影響［1－2］。

在額定風(fēng)速以上，控制的首要目的是使發(fā)電機輸出功率保持在額定值，減小輸出功率的波動，同時還要保證電磁轉(zhuǎn)矩、氣動轉(zhuǎn)矩、風(fēng)力機轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)速不超過其極限值，另一個控制目標(biāo)是減小靜態(tài)和動態(tài)載荷。早期的變速恒頻風(fēng)電機組在額定風(fēng)速以上采用單獨變槳距控制，由于變槳距系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到限制，對快速變化的風(fēng)速，通過改變槳距角來控制輸出功率的效果并不理想。在風(fēng)速快速增加時，容易由于關(guān)槳不及時引起機組超速。而在風(fēng)速突然下降時，又往往因為轉(zhuǎn)速的大幅下降引起功率的凹陷［3－5］。

發(fā)電機轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)速度很快，但是當(dāng)其應(yīng)用在控制功率和速度時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得不到保障。當(dāng)兩種控制方法協(xié)調(diào)控制時，可以保證輸出功率平穩(wěn)，并且在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時提高了系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)速度［6］。文獻［7－8］引入轉(zhuǎn)矩PI閉環(huán)實現(xiàn)了變速運行和變槳運行的平滑過渡，文獻［9］中也提出在額定風(fēng)速以上，采用“紋波轉(zhuǎn)矩”方式加大傳動鏈阻尼可以降低機組的結(jié)構(gòu)疲勞載荷。但這些方法對于功率和轉(zhuǎn)速的波動抑制并不明顯。

本文首先簡要分析了變速變槳距風(fēng)電機組的分區(qū)域運行策略，在欠負(fù)荷運行區(qū)域，通過引入變槳加速度控制器，在不影響發(fā)電量的同時有效避免了陣風(fēng)時的超速情況；在滿負(fù)荷運行區(qū)域，引入了基于轉(zhuǎn)矩和功率的混合控制算法，保證了機組的轉(zhuǎn)速和功率的平滑性。同時借助Bladed軟件和現(xiàn)場試驗驗證了控制策略的有效性。

2 控制策略

2.1 分區(qū)域控制原理

變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機組根據(jù)輸出功率的大小可分為3種運行狀態(tài)，即風(fēng)力發(fā)電機組的啟動狀態(tài)、欠負(fù)荷區(qū)和滿負(fù)荷區(qū)。圖1為變速變槳距機組運行狀態(tài)示意圖。

圖1 變速變槳距機組運行狀態(tài)Fig.1 The operational state of variable speed variable pitch wind turbine generation

欠負(fù)荷運行區(qū)和滿負(fù)荷運行區(qū)域采用的是PI控制策略［7－10］。

轉(zhuǎn)矩PI控制器

式中：Kp＿torque為比例系數(shù)；Ki＿torque為積分系數(shù)；dT為掃描周期；ω為發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)速；ωn＿torque為發(fā)電機側(cè)給定轉(zhuǎn)速；＊表示上一拍的值；y為轉(zhuǎn)矩給定值。

變槳PI控制器

式中：Kp＿pitch為 比 例 系 數(shù)；Ki＿pitch為 積 分 系 數(shù)；dT為掃描周期；ω為發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)速；ωn＿pitch為發(fā)電機側(cè)給定轉(zhuǎn)速；φ為槳距角實際值；＊表示上一拍的值；G為變槳非線性系數(shù)；y為槳距角給定值。

控制框圖如圖2所示。

圖2 變速變槳距協(xié)調(diào)控制策略框圖Fig.2 Block diagram of variable speed variable pitch control strategy

2.2 欠負(fù)荷區(qū)域協(xié)調(diào)控制策略

2.2.1 最優(yōu)槳距角的選擇

欠負(fù)荷時槳距和轉(zhuǎn)矩控制目標(biāo)：為了獲得最大功率，電磁轉(zhuǎn)矩設(shè)定在能獲得最佳葉尖速比的值，而槳距角設(shè)定在可以獲得最大升力的角度。

根據(jù)葉片設(shè)計及葉片廠家提供的參數(shù)可以通過查表的方法得到不同風(fēng)速條件下的最優(yōu)槳距角，但是由于風(fēng)速不容易準(zhǔn)確測得，由于葉輪轉(zhuǎn)速可以間接反應(yīng)風(fēng)速的大小，故根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速來選取最優(yōu)槳距角。

對于額定功率以下時，槳距角設(shè)定的參考值的依據(jù)為轉(zhuǎn)速，槳距角的設(shè)定值預(yù)先存在轉(zhuǎn)速和槳距角關(guān)系表格中，為了達到更精確的槳距角設(shè)定值可以采用線性插值的方法。未達到額定功率時的變槳控制框圖如圖3所示。

圖3 欠負(fù)荷區(qū)的最佳槳距角控制方法Fig.3 Optimal pitch control in partial load area

根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速通過查表的方式得到當(dāng)前風(fēng)速下的最佳槳距角，這個最佳槳距角作為給定值與實際的槳距角的偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器并限幅得到變槳速度的給定值，通過變槳執(zhí)行機構(gòu)得到了實際的槳距角值。

2.2.2 變槳加速度控制器

風(fēng)速在額定風(fēng)速附近波動時，由于變槳控制和轉(zhuǎn)矩控制都是將轉(zhuǎn)速維持在額定點處，如控制不當(dāng)容易引起機組的振蕩。因此需要在額定點附近實現(xiàn)二者間解耦，采用一些邏輯開關(guān)保證只有一個控制器激活，這種邏輯看來簡單易實現(xiàn)，但有時會出現(xiàn)不符合邏輯情況，比如，風(fēng)速在額定風(fēng)速之下時上升很快，這時如果在轉(zhuǎn)矩達到額定之前進行一些變槳調(diào)節(jié)會很有效，否則會引起額定轉(zhuǎn)矩之上的超速。一種方法是采取其中一個控制器飽和狀態(tài)，另一個控制器激活有效的方法使2個控制器同時運行，遠(yuǎn)低于或遠(yuǎn)高于額定風(fēng)速時，此方法有效，接近額定點時，2個控制器會出現(xiàn)相互干擾［7］。另一種方法是在速度偏差環(huán)外增加轉(zhuǎn)矩偏差控制信號，共同作為變槳PI控制器的輸入，額定風(fēng)速之上，轉(zhuǎn)矩給定為額定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速偏差信號為0，額定風(fēng)速之下，轉(zhuǎn)矩偏差信號為負(fù)，控制器會使槳距角向較小角度動作并阻止額定風(fēng)速下變槳調(diào)節(jié)器動作，如果風(fēng)速變化快速，在轉(zhuǎn)矩達到額定轉(zhuǎn)矩之前，控制器也會提前驅(qū)動變距動作，有效防止超速。但是由于轉(zhuǎn)矩的波動量較大，引入轉(zhuǎn)距誤差后容易引起變槳執(zhí)行機構(gòu)動作頻繁，不利于機組的穩(wěn)定。

變槳加速度控制器采用了一個發(fā)電機加速度的控制，控制輸出y（k）與變槳PI控制器的輸出相加形成控制量，經(jīng)過限幅以后得到槳距角的給定值。變槳加速度控制策略框圖如圖4所示。

圖4 變槳加速度控制策略框圖Fig.4 Pitch control strategy block diagram which control accelerate speed

即使發(fā)電機輸出功率在額定值以下，如果風(fēng)力機的旋轉(zhuǎn)加速度超過限定值或速度達到額定值變槳控制器都將被啟動。當(dāng)加速度超限時，通過變槳加速度控制器抑制加速度的繼續(xù)增大；如果速度達到額定值，則通過變槳PI控制器抑制速度的繼續(xù)增大；當(dāng)功率達到額定值以后，與傳統(tǒng)的控制方法一樣，通過變槳控制維持功率恒定。為了實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，當(dāng)加速度超限時，采用了比例調(diào)節(jié)器對槳距角進行調(diào)節(jié)。不同轉(zhuǎn)速下的加速度限定值如圖4所示，在轉(zhuǎn)速較低時加速度的限定值為機組機械結(jié)構(gòu)允許的最大加速度，速度接近最大時，加速度的限定值逐漸減小到0。

2.3 滿負(fù)荷區(qū)的協(xié)調(diào)控制策略

滿負(fù)荷區(qū)主要依靠變槳距控制來限制風(fēng)力機吸收的風(fēng)能，從而限制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，同時協(xié)調(diào)控制發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩將風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速及系統(tǒng)輸出功率維持在額定值。

應(yīng)用合適的轉(zhuǎn)矩控制算法可以減小轉(zhuǎn)速和功率的波動，滿負(fù)荷區(qū)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線應(yīng)在圖5所示的陰影區(qū)域內(nèi)，因為在陰影之外，功率（或轉(zhuǎn)矩）范圍增大并且轉(zhuǎn)矩（功率）并沒有得到很好的控制［5］。

圖5 滿負(fù)荷區(qū)轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線的最優(yōu)區(qū)域Fig.5 Optimization area around rated conditions of torque－speed curves

圖6給出了滿負(fù)荷區(qū)3種可能的轉(zhuǎn)矩控制曲線——恒轉(zhuǎn)矩控制、恒功率控制和混合控制，3種控制算法期望的發(fā)電機轉(zhuǎn)速都為額定轉(zhuǎn)速。功率和轉(zhuǎn)矩允許的最大值由風(fēng)力機本身和變槳控制算法決定。

圖6 滿負(fù)荷區(qū)轉(zhuǎn)矩控制曲線Fig.6 Torque control in full load area

恒轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩給定、恒功率控制的轉(zhuǎn)矩給定及混合控制的轉(zhuǎn)矩給定如下式所示：

3 仿真結(jié)果與分析

本文借助GH Bladed3.81軟件對某1.5MW雙饋型風(fēng)力發(fā)電機組模型進行仿真計算［11－12］，機組參數(shù)為：額定功率1.5MW，風(fēng)輪直徑70.48m，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速10～19r／min，葉片數(shù)3，額定風(fēng)速11.5 m／s，齒輪箱變比94.74，發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速1 500 r／min，發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速1 800r／min，發(fā)電機額定轉(zhuǎn)矩8 400N·m，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量6.2e5kg·m2，發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量58.7kg·m2，低速軸的等效剛度8.4e7 N·m／rad，低速軸的等效阻尼6.7e5N·m·s／rad。

3.1 階躍風(fēng)況下仿真驗證

圖7 階躍風(fēng)況下仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results at step wind speed level

圖7表示階躍風(fēng)況下的仿真波形。在20s時，風(fēng)速突然由8m／s增加到15m／s。從轉(zhuǎn)速曲線上看，兩種控制方式下轉(zhuǎn)速在33s后基本達到穩(wěn)定，未采用加速度控制器時轉(zhuǎn)速最大值為1 847.27 r／min，而采用加速度控制后轉(zhuǎn)速最大值為1 801.09 r／min；從槳距角曲線上看，兩者的波形變化趨勢基本一致，但采用加速度控制時槳距角提前動作約0.5 s；從功率曲線上看，兩者波形基本一致。

3.2 3D湍流風(fēng)況下仿真驗證

1）額定風(fēng)速附近。圖8表示平均風(fēng)速12m／s時600s的仿真波形，此時平均功率1 286.98kW（85.8%額定功率）。顯然，這個值明顯低于額定功率，這是由于在相當(dāng)長的時間里風(fēng)速低于額定值，此時槳角設(shè)定在最優(yōu)槳角處，電磁轉(zhuǎn)矩按最佳葉尖速比給定。一旦風(fēng)速高于額定值，混合控制模式將開始作用。轉(zhuǎn)速最大值是1 845.23r／min，超調(diào)量為2.51%，平均轉(zhuǎn)速為1 770.34r／min（98.4%）。

圖8 額定風(fēng)速下仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results at rated wind speed level

圖9 額定風(fēng)速以上仿真波形Fig.9 Simulation results above rated wind speed level

2）額定風(fēng)速以上。圖9表示平均風(fēng)速為16m／s時600s的仿真波形，此時平均功率1 500.74 kW。輸出功率基本在額定功率附近波動，在80s附近，功率曲線出現(xiàn)凹陷，這是因為風(fēng)速突然下降到額定風(fēng)速以下并維持一段時間。最大的陣風(fēng)出現(xiàn)在470s，轉(zhuǎn)速最大值為1 871.05r／min，超調(diào)量為3.95%。

3）遠(yuǎn)高于額定風(fēng)速。圖10表示平均風(fēng)速為20 m／s時600s的仿真波形，此時功率的最小值和最大值分別是1 458.11kW，1 517.14kW，功率的波動范圍在±3%以內(nèi)；轉(zhuǎn)速的最大值是1 898.23 r／min，超調(diào)量5.46%。仿真結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)速始終在額定風(fēng)速以上時，混合控制模式下功率和轉(zhuǎn)速的波動都在允許范圍以內(nèi)，即使在大陣風(fēng)條件下，也沒有出現(xiàn)過速或過功率的現(xiàn)象。

圖10 遠(yuǎn)高于額定風(fēng)速仿真波形Fig.10 Simulation results at high wind speed level

4 實驗驗證

控制算法在某風(fēng)電場實際運行的機組上進行了實驗驗證，結(jié)果如圖11所示。

圖11 現(xiàn)場實驗結(jié)果Fig.11 Results of field experiment

圖11給出了不同時刻發(fā)電功率、測量轉(zhuǎn)速、測量風(fēng)速和槳距角測量值。從圖11中可以看出：風(fēng)速在15m／s左右波動時，發(fā)電機輸出功率和運行轉(zhuǎn)速都較為平穩(wěn)，機組穩(wěn)定性較好，達到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)論

變速變槳距協(xié)調(diào)控制可以優(yōu)化輸出功率曲線，并且提高系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)速度。在欠負(fù)荷區(qū)引入變槳加速度控制器，仿真結(jié)果表明：在不影響發(fā)電量的同時，通過提前變槳有效地改善了機組的超速現(xiàn)象。在滿負(fù)荷區(qū)引入了轉(zhuǎn)矩－功率混合控制方式，仿真結(jié)果表明：機組在額定風(fēng)速、額定風(fēng)速以上和遠(yuǎn)高于額定風(fēng)速運行時，轉(zhuǎn)速和功率波動比較平滑，穩(wěn)定性良好。最后，通過對控制算法的現(xiàn)場驗證，取得了較為理想的效果。

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