風(fēng)電機組低風(fēng)速發(fā)電優(yōu)化控制分析

文 | 吳行健 李強 劉昊

風(fēng)電機組低風(fēng)速發(fā)電優(yōu)化控制分析

文 | 吳行健 李強 劉昊

“十二五”期間，我國將大力推動清潔能源的高效利用，作為清潔能源的重要組成部分，風(fēng)能產(chǎn)業(yè)未來五年發(fā)展?jié)摿薮?，預(yù)計中國的風(fēng)電裝機容量將會在2015年達到9000萬千瓦。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將實現(xiàn)規(guī)?；?，標準化，高科技化，在控制風(fēng)電行業(yè)發(fā)展速度的同時提高發(fā)展質(zhì)量。

目前風(fēng)電機組大多為水平軸升力型，是利用葉片的特殊氣動外形，在風(fēng)吹過時，葉片上產(chǎn)生升力，進而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，帶動發(fā)電機發(fā)出電能。在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，風(fēng)電機組主要是工作在欠功率狀態(tài)，即葉片的槳距角被調(diào)整到固定槳距角位置，通過調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩來達到較高的能量利用率。

根據(jù)IEC 標準中三類風(fēng)電場的風(fēng)速分布，我國大部分風(fēng)電場介于二類風(fēng)電場和三類風(fēng)電場之間。風(fēng)電機組主要年工作小時數(shù)，從切入風(fēng)速（4m/s 左右)到額定風(fēng)速（12m/ s左右)為大約6000 h，而額定風(fēng)速以上的年工作小時數(shù)大約為1381 h。由此可見，風(fēng)電機組約有80%的時間工作在低風(fēng)速下。在低風(fēng)速下，風(fēng)電機組主要根據(jù)靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線進行控制方式，這會受到風(fēng)速，風(fēng)向以及葉片型號的影響，使得風(fēng)電機組處于非最優(yōu)能量吸收狀態(tài)，導(dǎo)致風(fēng)能利用率的降低，對風(fēng)電機組產(chǎn)品的性能以及發(fā)電量造成一定的影響。因此，本論文針對風(fēng)電機組低風(fēng)速下對風(fēng)能利用率不能達到最佳的問題，提出了新的風(fēng)電機組低風(fēng)速能量利用優(yōu)化控制系統(tǒng)，設(shè)計了低風(fēng)速下能量捕獲的控制環(huán)節(jié)和解決方法，對于提高風(fēng)電機組在低于額定風(fēng)速情況下工作時的能量吸收效率，進而提高風(fēng)電機組年發(fā)電量產(chǎn)生巨大的影響。

風(fēng)電機組低風(fēng)速發(fā)電傳統(tǒng)控制

在達到額定風(fēng)速之前，風(fēng)電機組槳距角固定于最優(yōu)槳距角處，主要通過控制發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩來控制葉輪轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對最優(yōu)葉尖速比的跟蹤，保證風(fēng)電機組始終在最優(yōu)的風(fēng)能利用系數(shù)曲線狀態(tài)下運行，實現(xiàn)最優(yōu)的風(fēng)能利用效率。

在風(fēng)電機組葉片翼型確定以后，結(jié)合葉輪的半徑R，葉輪轉(zhuǎn)速ω，空氣密度ρ和齒輪箱的傳動比G，可以得到葉尖速比值 ：

當風(fēng)電機組運行在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間的狀態(tài)時，可以計算出發(fā)電機不同轉(zhuǎn)速ωg時的最優(yōu)電磁扭矩：

從而得到風(fēng)電機組低風(fēng)速運行時的靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線。在風(fēng)電機組實際運行時，根據(jù)靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線設(shè)計出的控制方式會受到風(fēng)速、風(fēng)向以及葉片型號的影響，使得風(fēng)電機組處于非最優(yōu)能量吸收狀態(tài)，導(dǎo)致風(fēng)能利用率的降低。該方法采用的靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線考慮的風(fēng)是穩(wěn)態(tài)風(fēng)，且從葉輪正面吹來的，而實際的風(fēng)為三維湍流風(fēng)，風(fēng)向及風(fēng)速是不斷變化的，由于偏航系統(tǒng)反應(yīng)較慢，導(dǎo)致偏航誤差，風(fēng)會在左右方向和上下方向與風(fēng)輪所成的夾角，就造成風(fēng)輪獲得的升力與靜態(tài)情況有所不同。此外計算靜

態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線所用的載荷仿真軟件，一般是根據(jù)葉片數(shù)據(jù)直接計算出來，由于實際葉片和葉片數(shù)據(jù)模型之間存在誤差，經(jīng)過計算得出的曲線本身就存在誤差，使用這個曲線控制時，使得風(fēng)電機組處于非最優(yōu)能量吸收狀態(tài)，導(dǎo)致風(fēng)能利用率的降低。

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基金項目：該論文受國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863 計劃) ：超大型超導(dǎo)式海上風(fēng)電機組設(shè)計技術(shù)研究支持，課題編號：2012AA052302

風(fēng)電機組低風(fēng)速發(fā)電優(yōu)化控制

本論文提出風(fēng)電機組低風(fēng)速能量利用優(yōu)化控制系統(tǒng)仍以跟蹤線性靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線和PI控制為基礎(chǔ)，引入新的葉輪氣動轉(zhuǎn)矩計算環(huán)節(jié)和動態(tài)優(yōu)化能量吸收調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)兩部分作為對靜態(tài)曲線各種缺陷的彌補，能夠使風(fēng)電機組在額定風(fēng)速以下保持最優(yōu)的風(fēng)能利用率。

一、 葉輪氣動轉(zhuǎn)矩計算環(huán)節(jié)

由于葉輪處的風(fēng)速和風(fēng)向很難實時測量，葉輪產(chǎn)生的氣動轉(zhuǎn)矩?zé)o法直接計算得到，只能通過對低速軸扭矩進行測量和計算獲得。可以在低速軸上安裝傳感器，通過實時測量低速軸的形變量，再根據(jù)低速軸的扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)等機械特性參數(shù)，實時計算出低速軸的扭轉(zhuǎn)力矩，然后通過低速軸的扭轉(zhuǎn)力矩和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化計算出瞬時風(fēng)輪的氣動轉(zhuǎn)矩。

測量低速軸扭轉(zhuǎn)角采用電阻應(yīng)變式傳感器,它是以電阻應(yīng)變計為轉(zhuǎn)換元件的電阻式傳感器，由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計、補償電阻等組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式。當彈性敏感元件受到所測量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計一起變形。電阻應(yīng)變計再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測量扭轉(zhuǎn)角等物理量。由于風(fēng)電機組的低速軸轉(zhuǎn)速較快，扭轉(zhuǎn)角測量需要在風(fēng)電機組低速軸上粘貼應(yīng)變計組成測量電橋，當彈性軸受扭矩產(chǎn)生微小變形后引起電橋電阻值變化，應(yīng)變電橋電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖兓瘡亩鴮崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的低速軸扭轉(zhuǎn)角測量。對于測量旋轉(zhuǎn)軸的傳感器，在可靠供電和信號傳輸上采用集流滑環(huán)的方式，即低速軸的絕緣處固定了四個銅集流滑環(huán)，每個滑環(huán)上配置了三個電刷，電刷上連接有導(dǎo)線以便于測試系統(tǒng)連接?；h(huán)通過導(dǎo)線和粘貼在軸上的應(yīng)變片連接，低速軸產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形轉(zhuǎn)換成的電信號傳送到集流環(huán)上。在低速軸旋轉(zhuǎn)時，測量信號通過與軸一起旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)和固定的電刷傳輸出去。

攝影：夏偉雄

通過實時測量低速軸在工作狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)角度θ，結(jié)合低速軸的扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)，可以根據(jù)葉輪角速度的變化計算出瞬時葉輪的氣動轉(zhuǎn)矩：

二、動態(tài)優(yōu)化能量吸收調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)

能量吸收調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)是根據(jù)測量計算出的瞬時葉輪的氣動轉(zhuǎn)矩，以線性靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線為基礎(chǔ)做出修正，使葉輪始終處于最優(yōu)能量吸收狀態(tài)。為控制發(fā)電機電磁扭矩，使風(fēng)電機組運行在最優(yōu)葉尖速比狀態(tài)下，保證最佳的風(fēng)能吸收率，可以通過風(fēng)電機組控制邏輯，對線性靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線做出的轉(zhuǎn)矩控制Qd利用PI控制器作出修正，計算出最優(yōu)風(fēng)能能量吸收的電磁轉(zhuǎn)矩。該PI控制器輸出為：

系統(tǒng)實例仿真

針對一個額定功率為6MW的風(fēng)電機組，其額定電機轉(zhuǎn)速1200rpm, 額定電磁轉(zhuǎn)矩5016Nm，采用GH bladed工具對該風(fēng)電機組系統(tǒng)進行仿真，Kopt=0.1523，PI控制參數(shù)Kp=2.0125，KI=0.4132。在極端相干陣風(fēng)的情況下，通過對比使用根據(jù)線性靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線給出的轉(zhuǎn)矩和使用低風(fēng)速發(fā)電優(yōu)化控制的Qt得出靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線與優(yōu)化控制后的轉(zhuǎn)速－扭矩曲線圖，以及風(fēng)電機組低風(fēng)速發(fā)電優(yōu)化控制前后功率對比圖。圖1中紅色曲線為使用靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線的Cp, 藍色為使用低風(fēng)速發(fā)電優(yōu)化控制的Qt的Cp。由仿真結(jié)果可以看出，在低風(fēng)速下使用低風(fēng)速發(fā)電優(yōu)化控制Qt的Cp值比使用靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線的Cp值大，即能夠在低風(fēng)速下捕獲更多的風(fēng)能，提高了低風(fēng)速下的發(fā)電量。圖2為仿真所用的極端相干陣風(fēng)。圖3中紅色曲線為使用靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線得出的發(fā)電功率圖，藍色曲線為使用低風(fēng)速發(fā)電優(yōu)化控制Qt的發(fā)電功率圖，由該仿真結(jié)果可以看出，在低風(fēng)速下，使用發(fā)電優(yōu)化控制Qt能夠獲得比使用靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線更高的功率，達到了發(fā)電優(yōu)化的目的，并且使該風(fēng)電機組系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，功率輸出隨著風(fēng)速的提高能夠很快穩(wěn)定在額定功率上。

圖1 靜態(tài)轉(zhuǎn)速-扭矩曲線與優(yōu)化控制后的轉(zhuǎn)速-扭矩曲線

圖2 極端相干陣風(fēng)

圖3 風(fēng)電機組低風(fēng)速發(fā)電優(yōu)化控制前后功率對比

結(jié)論

目前風(fēng)電機組在低風(fēng)速下通常根據(jù)靜態(tài)轉(zhuǎn)速－扭矩曲線，通過調(diào)節(jié)電機電磁扭矩控制葉輪轉(zhuǎn)速，使風(fēng)電機組運行在最優(yōu)葉尖速比狀態(tài)下，這會使得風(fēng)電機組處于非最優(yōu)能量吸收狀態(tài)，導(dǎo)致風(fēng)能利用率的降低。本文所提出的低風(fēng)速發(fā)電優(yōu)化控制可以解決風(fēng)電機組產(chǎn)品在低風(fēng)速下風(fēng)能利用率不高的問題，通過對測量環(huán)節(jié)和優(yōu)化控制環(huán)節(jié)進行設(shè)計和創(chuàng)新，可以提高風(fēng)電機組低風(fēng)速情況的運行性能和技術(shù)水平，提高風(fēng)電機組的年發(fā)電量，降低度電成本，對提高風(fēng)電機組產(chǎn)品在市場上的競爭力有重要意義。

（作者單位：國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司）

攝影：孟憲斐