基于微處理器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)綜合優(yōu)化控制策略

許磊，張磊，蔣苗苗，金立軍

(1.山東電力集團(tuán)公司 濟(jì)寧供電公司，山東 濟(jì)寧 272000;2.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

0 引言

隨著地球上自然資源的消耗，新能源的發(fā)展成為當(dāng)今世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電作為一種可持續(xù)發(fā)展的新能源，在電力行業(yè)中將占有越來(lái)越重要的地位。風(fēng)能具有能量密度低、隨機(jī)性和不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，給大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)問(wèn)題帶來(lái)極大困難，且我國(guó)風(fēng)力資源主要集中于中西部，風(fēng)電需要大量并網(wǎng)輸送給東部發(fā)達(dá)地區(qū)使用，因此對(duì)風(fēng)機(jī)輸出的電能質(zhì)量有較高要求。

變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠調(diào)整槳葉節(jié)距，從而改變獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，與定槳距發(fā)電機(jī)組相比，在額定功率以上輸出平穩(wěn)，風(fēng)速過(guò)高時(shí)，能將功率限制在額定值附近;同時(shí)在啟動(dòng)時(shí)，可以盡可能多的吸收風(fēng)能，獲得足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

水平軸風(fēng)力機(jī)一般都需要偏航裝置，也叫調(diào)向裝置，確保風(fēng)輪能夠追蹤風(fēng)向，常用的有尾舵調(diào)向、側(cè)風(fēng)輪調(diào)向和伺服電機(jī)調(diào)向。伺服電機(jī)調(diào)向系統(tǒng)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，能夠快速平穩(wěn)地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，使風(fēng)輪獲得最大風(fēng)能。

本文提出一種基于微處理器的將風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)與變漿距控制相結(jié)合的方法，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取風(fēng)向風(fēng)速信息，并利用控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速信息對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大利用，并保證輸出電能的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最優(yōu)控制［1－4］。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)兩大部件組成，利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)連接軸將風(fēng)力機(jī)的動(dòng)能傳遞給發(fā)電機(jī)，最后由發(fā)電機(jī)輸出電能。如圖1所示為風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中 1 為葉片，1、2、3、9、11 部分為風(fēng)力機(jī)，7 為主軸，6 為發(fā)電機(jī)。

當(dāng)風(fēng)向正對(duì)著風(fēng)輪葉片時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)從風(fēng)能中捕獲到的功率為:

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其中ρ為空氣密度，S為風(fēng)葉掃過(guò)面積，Cp(λ，α)為風(fēng)能利用系數(shù)，λ為葉尖速比，α為槳距角，v為風(fēng)速;λ=ωR/v，ω為風(fēng)機(jī)的機(jī)械角速度，R 為風(fēng)輪半徑［5］。

本文采用式(2)［6］擬合函數(shù)Cp(λ，α)與λ和α之間的關(guān)系:

據(jù)此可知，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，影響風(fēng)機(jī)輸出功率的因素主要有風(fēng)速v和槳距角α。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航控制

偏航系統(tǒng)主要由偏航檢測(cè)與控制部分、偏航機(jī)構(gòu)和扭纜保護(hù)裝置三大部分組成，其控制精度直接影響著風(fēng)能的利用效率。偏航系統(tǒng)的作用有兩個(gè):一是可以在可用風(fēng)速范圍內(nèi)控制風(fēng)輪使之穩(wěn)定地跟蹤風(fēng)向變化，在非可用風(fēng)速范圍下進(jìn)行90°側(cè)風(fēng)控制;二是由于持續(xù)跟蹤風(fēng)向而造成電纜纏繞超過(guò)規(guī)定限值的情況下能夠自動(dòng)解纜，保障風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行［7］。

1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳距控制

從式(1)可以看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)確定之后，輸出的功率只與風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ，α)和風(fēng)速v相關(guān)。當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時(shí)，偏航控制系統(tǒng)使風(fēng)輪始終能夠正向受風(fēng)，葉片槳距角始終保持0°，以此保證風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ，α)始終保持最大;當(dāng)風(fēng)速增大到額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)的機(jī)械特性達(dá)到極限值，輸出額定功率，若風(fēng)速繼續(xù)增大，風(fēng)機(jī)將超負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)需通過(guò)減小Cp(λ，α)使風(fēng)機(jī)維持在額定功率處運(yùn)行。

從式(2)可知，改變風(fēng)能利用系數(shù)最簡(jiǎn)單有效的方法即改變槳距角大小，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)特性，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片與風(fēng)向呈一定傾斜角度時(shí)，葉片的有效受風(fēng)面積減小，傾斜角度越大，有效受風(fēng)面積減小越多［8］。

2 基于微處理器的風(fēng)機(jī)優(yōu)化控制策略

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)由偏航系統(tǒng)和變槳距控制系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，控制系統(tǒng)的核心部件為80C592微處理器，輸入信息包括風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)輪角度、葉片轉(zhuǎn)速等，微控制器根據(jù)輸入信息計(jì)算出偏航角度和槳距角，并將結(jié)果傳輸給偏航電機(jī)和變槳機(jī)構(gòu)，驅(qū)使兩個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

偏航系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向標(biāo)傳輸?shù)娘L(fēng)向信息，驅(qū)動(dòng)偏航電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使風(fēng)輪葉片方向始終保持與風(fēng)向垂直，以獲取最大風(fēng)能。變槳距控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速信息，采用PI調(diào)節(jié)的方法，在風(fēng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，控制槳葉由 90°轉(zhuǎn)動(dòng)至 0°;當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，槳葉保持0°，獲取最大風(fēng)能;當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，控制槳葉旋轉(zhuǎn)以保持輸出功率恒定;當(dāng)風(fēng)速過(guò)大或緊急情況是，槳葉快速轉(zhuǎn)動(dòng)到90°，使風(fēng)向與槳葉平行，槳葉失去迎風(fēng)面，以保護(hù)風(fēng)機(jī)。

如圖3所示為風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制流程，當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時(shí)，只啟動(dòng)偏航系統(tǒng)，保證風(fēng)機(jī)獲得最大風(fēng)能即可;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速以上時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)偏航系統(tǒng)和變槳距控制系統(tǒng)，保持風(fēng)機(jī)輸出功率不變;當(dāng)風(fēng)速過(guò)大有可能損壞風(fēng)機(jī)時(shí)，采取緊急停車(chē)措施，使風(fēng)葉與風(fēng)向方向平行。

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制流程圖

2.2 偏航系統(tǒng)控制策略

如圖4所示為風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)控制算法流程，首先設(shè)置風(fēng)輪迎風(fēng)面法向的基準(zhǔn)方向 θ0(設(shè)置為 0°)，風(fēng)輪迎風(fēng)面法向?yàn)?θ1，風(fēng)向?yàn)?θ2(θ1、θ2均為順時(shí)針?lè)较蛏吓c基準(zhǔn)方向的角度差)，閾值Δθ。風(fēng)輪迎風(fēng)面法向初始方向 θ1= θ0，當(dāng)θ2－ θ1≥Δθ時(shí)，偏航系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)|θ2－ θ1|;當(dāng) θ2－θ1≤－Δθ時(shí)，偏航系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)|θ2－θ1|。旋轉(zhuǎn)完畢后，修改 θ1值，使 θ1= θ2。

圖4 偏航系統(tǒng)控制流程圖

2.3 變槳距系統(tǒng)控制策略

本文采用PI控制算法［9］，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際輸出功率P與額定功率P額定做差，得到差值e作為控制器的輸入，并根據(jù)當(dāng)前葉片的槳距角α'給出指導(dǎo)槳距角α，通過(guò)槳距角的調(diào)節(jié)，將風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在額定轉(zhuǎn)速上，從而輸出額定功率。如圖5所示為變槳距控制結(jié)構(gòu)圖。

圖5中控制器PI控制算法定義為:

圖5 變槳距控制結(jié)構(gòu)圖

式中Kp為比例環(huán)節(jié)，Kt為積分環(huán)節(jié)，e=P額定－P。風(fēng)機(jī)三個(gè)葉片采用相同的控制算法，即三個(gè)葉片槳距角始終保持相等。

3 仿真結(jié)果分析

本文選用MATLAB軟件建立100 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型［10］，對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真，選取常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度ρ=1.225 kg/m3，風(fēng)輪直徑25 m，啟動(dòng)風(fēng)速 3 m/s，額定風(fēng)速 13 m/s，安全風(fēng)速25 m/s，額定轉(zhuǎn)速80 r/min。

根據(jù)以上參數(shù)，得到該風(fēng)機(jī)仿真曲線(xiàn)圖，如圖6所示為風(fēng)速與輸出功率曲線(xiàn)圖，圖7所示為風(fēng)速與槳距角曲線(xiàn)圖。

圖6 風(fēng)速與功率曲線(xiàn)圖

圖7 風(fēng)速與槳距角曲線(xiàn)圖

從圖6和圖7仿真結(jié)果中可以看出，風(fēng)速達(dá)到3m/s左右時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng);在3m/s至13m/s之間，即額定風(fēng)速以下，風(fēng)機(jī)輸出功率隨風(fēng)速的增大迅速增長(zhǎng)，在風(fēng)速為13m/s時(shí)，功率達(dá)到額定功率100 kW，在此階段內(nèi)，葉片槳距角始終保持0度;風(fēng)速在13m/s至25 m/s之間，即額定風(fēng)速以上時(shí)，槳距角隨風(fēng)速的增大而增大，保證風(fēng)機(jī)輸出功率維持在額定功率100 kW;風(fēng)速達(dá)到25m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)采取緊急制動(dòng)措施剎車(chē)，槳距角變?yōu)?0度，輸出功率為零。整個(gè)過(guò)程中，偏航系統(tǒng)始終保持風(fēng)機(jī)正對(duì)風(fēng)向。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了將偏航控制系統(tǒng)與變槳距控制系統(tǒng)相結(jié)合的風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化控制策略。在不同風(fēng)速下采取不同的控制方法，從風(fēng)機(jī)啟動(dòng)開(kāi)始至風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速，風(fēng)葉槳距角保持0度;在額定風(fēng)速以上，采用PI調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)變槳距控制，維持輸出功率不變;風(fēng)速在額定風(fēng)速以上時(shí)，采取制動(dòng)剎車(chē)措施。最后，提出了具體的實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)有效控制，具有較高的可行性。

［1］ 夏安俊.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大功率點(diǎn)跟蹤控制系統(tǒng)的研究［D］.無(wú)錫:江南大學(xué)，2008.

［2］ Muyeen SM，Takahashi R，Murata T，et al.A variable speed wind turbine control strategy to meet wind farm grid code requirements［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2010，25(1):31 －34.

［3］ 姚駿，廖勇.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳風(fēng)能跟蹤控制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(10):11 －15.

［4］ Liu Ji－h(huán)ong，Xu Da－ping，Yang Xi－jun.Multi objective power control of a variable speed wind turbine based Hinfinity on theory［C］//IEEE international Conference on Machine Learning and Cybernetics(ICMLC)，2008:2036－2041.

［5］ 王斌，吳焱.變速變槳距風(fēng)電機(jī)組的高風(fēng)速變槳距控制［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30(8):81 －83.

［6］ 何玉林，劉軍.變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略?xún)?yōu)化［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(12):55 －60.

［7］ 李曉燕.兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)偏航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2006.

［8］ 耿華，楊耕.變速變槳距風(fēng)電系統(tǒng)的功率水平控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(25):130 －137.

［9］ 任海軍，何玉林.變速變槳距風(fēng)力機(jī)功率控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(8):59 －63.

［10］ Iov F，Hansen A D，Sorensen P，et al.Wind turbine block－set in MATLAB/Simulink［M］.Aalborg University，2004.