風(fēng)機超速問題應(yīng)對策略研究

曹碧生，邵勤豐，孟新光，劉小艷，劉顯波，王東升

(東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000)

風(fēng)機超速問題應(yīng)對策略研究

曹碧生，邵勤豐，孟新光，劉小艷，劉顯波，王東升

(東方電氣自動控制工程有限公司，四川德陽，618000)

文章針對大風(fēng)大湍流下風(fēng)機容易發(fā)生超速的問題，深入研究風(fēng)機控制算法，提出了優(yōu)化變槳PI和加入轉(zhuǎn)差加速度系數(shù)的策略。Bladed仿真表明，加入超速應(yīng)對策略后風(fēng)機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，變槳響應(yīng)較快，功率相對平穩(wěn)且未發(fā)生停機，完全可以經(jīng)受大風(fēng)大湍流帶來的沖擊。實際應(yīng)用該策略的FD77B和FD82B型風(fēng)機運行情況良好，風(fēng)機超速停機故障大幅下降。理論仿真和實際應(yīng)用表明，該策略科學(xué)、合理、實用，且具有一定的推廣價值。

風(fēng)機超速，參數(shù)整定，算法優(yōu)化

1 前言

風(fēng)力發(fā)電是目前可再生能源發(fā)展的重點，也是可再生能源利用的主要方式。近年來，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)有了很大的發(fā)展。風(fēng)機主控系統(tǒng)是風(fēng)機控制系統(tǒng)的主體，可實現(xiàn)自動啟動、自動調(diào)向、自動調(diào)速、自動并網(wǎng)、自動解列、故障自動停機、自動電纜解繞及自動記錄與監(jiān)控等重要控制、保護功能。風(fēng)機的控制是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行中的核心內(nèi)容之一，即通過控制風(fēng)機來實現(xiàn)風(fēng)能的捕獲并將其轉(zhuǎn)換為電能，控制的目標(biāo)是在高風(fēng)速條件下，將風(fēng)機的功率和速度限制在某一設(shè)定值，以免風(fēng)機進入不安全運行狀態(tài)，而在低風(fēng)速條件下實現(xiàn)風(fēng)機所能捕獲的最大風(fēng)能。風(fēng)機的控制系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行影響很大。因此，采用科學(xué)的控制策略至關(guān)重要。國內(nèi)控制器在國產(chǎn)化、智能化、安全性和穩(wěn)定性方面取得了很大成就。國內(nèi)企業(yè)通過這幾年的努力，已經(jīng)在控制系統(tǒng)主要部件的開發(fā)上取得了積極進展，已基本形成了自主的技術(shù)開發(fā)能力。

盡管如此，國產(chǎn)主控器遇到了新的挑戰(zhàn)和問題。眾所周知，風(fēng)力發(fā)電機在遇到大風(fēng)大湍流時，應(yīng)限制風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，否則會引起風(fēng)機超速。為了風(fēng)機安全運行，風(fēng)力發(fā)電機設(shè)置兩重保護值。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過第一重保護值后，風(fēng)機利用變槳系統(tǒng)快速收槳來制動風(fēng)機。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過第二重保護值后，風(fēng)機利用剎車系統(tǒng)制動和變槳系統(tǒng)收槳制動共同作用讓風(fēng)機停下來[1]。風(fēng)機超速停機時，不僅會影響風(fēng)機發(fā)電量、故障統(tǒng)計量、可利用率等，而且會對風(fēng)機產(chǎn)生大的損傷。此外，在大風(fēng)大湍流下，如果發(fā)生風(fēng)機葉輪飛車，會造成風(fēng)機葉片損毀、發(fā)電機燒毀、倒機等一系列嚴(yán)重事故。因此，為避免或者減少風(fēng)機在大風(fēng)大湍流下發(fā)生超速故障，展開對風(fēng)機控制策略研究十分必要。

2 GH控制策略簡介

變速變槳發(fā)電機組的整個運行控制階段可以按發(fā)電機轉(zhuǎn)速劃分成4個階段，圖1為發(fā)電機轉(zhuǎn)速與扭矩關(guān)系圖[2]。在穩(wěn)定狀態(tài)下，發(fā)電機轉(zhuǎn)速范圍是從S1到S2。在低風(fēng)速情況下，循著一條定常葉尖速比的載荷曲線使風(fēng)能捕獲量達到最大，該載荷曲線對應(yīng)著以最大功率系數(shù)運行的狀態(tài)，這條載荷線是一條扭矩-轉(zhuǎn)速平面內(nèi)的二次曲線，如圖1中所示的線段B-C。

圖1 風(fēng)機發(fā)電機轉(zhuǎn)速與扭矩對應(yīng)曲線

在發(fā)電機轉(zhuǎn)速小于S1前，此時發(fā)電機無功率輸出，當(dāng)風(fēng)速大于切入轉(zhuǎn)速時發(fā)電機并網(wǎng)，由于發(fā)電機有最小允許運行速度S1，那么在低風(fēng)速的情況下，就不可能循著B-C段曲線運行，而風(fēng)機只能沿著圖中所示的線段A-B以恒定的速度運行。類似地，在高風(fēng)速時，一旦達到最大運行速度S2，必然再一次脫離最佳載荷曲線而沿著線段C-D以恒定的速度運行。D點以后是功率恒定區(qū)，隨著風(fēng)速增大，為了保護機組不受損壞，控制槳葉角度來保持恒定功率輸出。

3 風(fēng)機超速解決策略設(shè)計

經(jīng)過對風(fēng)機控制策略研究，提出優(yōu)化變槳PI和引入轉(zhuǎn)差加速度PI系數(shù)2種方式來解決風(fēng)機超速問題。

3.1 變槳PI優(yōu)化策略

通過加快變槳響應(yīng)和減小超調(diào)量的方式來優(yōu)化變槳PI。因此，需要對變槳PI重新整定。

變槳參數(shù)整定風(fēng)速為12～25 m/s。下面為風(fēng)速13 m/s時的變槳PI優(yōu)化方法。

未重新整定前，13 m/s時變槳PI為：Kp= 0.009732，Ti=5.0053。圖2是風(fēng)速為13 m/s時參數(shù)整定w域根軌跡圖，通過調(diào)節(jié)補償器的零極點來加快變槳響應(yīng)和減小超調(diào)量。從圖3可以明顯看出，整個風(fēng)機系統(tǒng)穩(wěn)定，幅值裕度為9.21 dB，相角裕度為35.7。。參數(shù)整定后，可得出風(fēng)速為13 m/s時變槳PI為：Kp=0.010568，Ti=4.9867。

圖2 13m/s時的w域根軌跡圖

圖3 13m/s時的穩(wěn)定裕度圖

圖4 13 m/s時的風(fēng)速對轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)曲線

圖5 13m/s時的風(fēng)速對槳葉角度階躍響應(yīng)曲線

整定后的效果如圖4、圖5所示。從圖4可以看出，風(fēng)速對轉(zhuǎn)速階躍響應(yīng)在12 s時基本趨于穩(wěn)定，較平常轉(zhuǎn)速響應(yīng)穩(wěn)定時間15 s明顯加快。在圖5中，風(fēng)速對槳葉角度階躍響應(yīng)在12 s時完全穩(wěn)定，比平常轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時間快3 s。

類似地，對其它風(fēng)速下的變槳PI進行整定，然后對各種風(fēng)速下的結(jié)果進行線性化最終得到變槳PI線性化列表。

3.2 轉(zhuǎn)差加速度系數(shù)策略

當(dāng)風(fēng)機運行轉(zhuǎn)速差加速度大于某一值時，風(fēng)機變槳系統(tǒng)在原PI的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)轉(zhuǎn)差對應(yīng)的系數(shù)值。其原理如下程序所示：

float genaccel[3]={N1,N2,N3}；//轉(zhuǎn)差加速度值，以3個點為例

float kperr[3]={kperr1,kperr2,kperr3}；//轉(zhuǎn)差系數(shù)值，以3個點為例

if（Genaccel＜genaccel[1]）//Genaccel為當(dāng)前轉(zhuǎn)差加速度值

kp=pitchKP；//pitchKP為原始變槳PI值

else if（Genaccel＞genaccel[1]&&Genaccel＞genaccel[2]）

kp=pitchKP*（kperr[1]+（kperr[2]-kperr[1]）/（genaccel[2]-genaccel[1]）*(Genaccl-genaccel [1]））；

else if（Genaccel＞genaccel[2]&&Genaccel＞genaccel[3]）

kp=pitchKP*（kperr[2]+（kperr[3]-kperr [2]）/（genaccel[3]-genaccel[2]）*（Genacclgenaccel[2]）；

else if（Genaccel＞genaccel[3]）

kp=pitchKP*kperr3；

4 風(fēng)機超速問題解決策略仿真測試及結(jié)果

為了驗證風(fēng)機超速問題解決策略在實際風(fēng)場工況下的可行性，在25 m/s大風(fēng)大湍流 （如圖6所示）情況下利用Bladed軟件進行仿真，具體結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖6 風(fēng)速為25m/s 3D湍流風(fēng)

圖7 25m/s的3D湍流風(fēng)下轉(zhuǎn)速對比曲線

從圖7可以看出，在25 m/s大風(fēng)大湍流下，沒有加入超速應(yīng)對策略的風(fēng)機轉(zhuǎn)速波動偏大且在48 s左右發(fā)生停機，而加入超速應(yīng)對策略的風(fēng)機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)且未停機。

圖8 25m/s的3D湍流風(fēng)下槳葉角度對比曲線

從圖8可以看出，在25 m/s大風(fēng)大湍流下，沒有加入超速應(yīng)對策略的風(fēng)機變槳偏慢且在48 s左右發(fā)生停機，而加入超速應(yīng)對策略的風(fēng)機變槳響應(yīng)明顯加快且未停機。

圖9 25m/s的3D湍流風(fēng)下功率對比曲線

從圖9可以看出，在25 m/s大風(fēng)大湍流下，沒有加入超速應(yīng)對策略的風(fēng)機功率波動偏大且在48 s左右發(fā)生停機，而加入超速應(yīng)對策略的風(fēng)機功率輸出相對平穩(wěn)且未停機。

綜合圖7～圖9可知，在風(fēng)速為25m/s大風(fēng)大湍流下，沒有加入超速應(yīng)對策略的風(fēng)機轉(zhuǎn)速波動偏大，變槳響應(yīng)偏慢，功率波動偏大發(fā)生停機，而加入超速應(yīng)對策略的風(fēng)機運行平穩(wěn)且未停機。

5 結(jié)論

針對大風(fēng)大湍流下風(fēng)機容易發(fā)生超速問題，深入研究風(fēng)機控制算法，提出了優(yōu)化變槳PI和加入轉(zhuǎn)差加速度系數(shù)策略。經(jīng)Bladed仿真發(fā)現(xiàn)，加入超速應(yīng)對策略的風(fēng)機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，變槳響應(yīng)較快，功率相對平穩(wěn)且未發(fā)生停機，完全可以經(jīng)受大風(fēng)大湍流帶來的沖擊。現(xiàn)已實際應(yīng)用該策略的FD77B和FD82B型風(fēng)機運行情況良好，風(fēng)機超速停機故障大幅下降?？傊?，不論在理論還是實際應(yīng)用中，該策略科學(xué)、合理、實用，具有一定推廣價值。

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Study on Coping Strategies forW ind Turbine Overspeed

Cao Bisheng，Shao Qinfeng，Meng Xinguang，Liu Xiaoyan，Liu Xianbo，Wang Dongsheng
（Dongfang Electric Auto Control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Forwind turbine overspeed problem in gale and grand turbulence，this paper studies deeply the wind turbine control algorithm，and proposes a strategy of optimizing the pitch PI and adding the speed difference acceleration coefficient.The Bladed simulating result shows that the wind turbine added coping strategies for wind turbine overspeed problem acts smoothly,rapid in pitch response,stable in power output and without shutdown,and can withstand the impact of gale and grand turbulence.The wind turbine adopted such strategy in FD77B and FD82B runswell,and the wind turbine overspeed fault is dropped significantly.Theoretical simulation and practical application results show that the strategy is scientific,reasonable,practical,and has some promotional value.

wind turbine overspeed，parameter tuning，algorithm optimization

TP13

：A

：1674-9987（2014）03-0062-04

曹碧生（1986-），男，助理工程師，碩士，2012年畢業(yè)于昆明理工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，主要從事風(fēng)機程序設(shè)計及控制算法研究工作。