前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組功率優(yōu)化控制研究＊

張生睿，董海鷹

（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州730070）

1 引言

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和逐漸成熟，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效率受到越來越多的關(guān)注和研究。在有效提高風(fēng)電機(jī)組功率輸出的同時(shí)保證輸出功率的平滑性水平、提高風(fēng)電質(zhì)量、保證風(fēng)電安全可靠并網(wǎng)已成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究重點(diǎn)。

目前以雙饋型和直驅(qū)型機(jī)組為代表的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組已成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的主流，針對(duì)此類風(fēng)電機(jī)組的功率控制已有一定研究［1－5]。文獻(xiàn)［1]基于微分跟蹤器對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率曲線自尋優(yōu)控制策略進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［2、3]提出了一種自適應(yīng)增益調(diào)度線性二次型高斯最優(yōu)控制策略，對(duì)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行優(yōu)化問題進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［4]基于奇異攝動(dòng)理論和逆系統(tǒng)方法對(duì)變速變槳距風(fēng)機(jī)的水平功率控制進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［5]通過模態(tài)線性化過程建模被控對(duì)象，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩控制、槳距控制及整機(jī)協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了研究。

以上文獻(xiàn)從提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率、穩(wěn)定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、減輕傳動(dòng)鏈載荷、平滑輸出功率、改善風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電質(zhì)量等不同方面進(jìn)行了研究并取得了一定成果。

不同于傳統(tǒng)后端穩(wěn)頻式風(fēng)電機(jī)組，前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組采用無刷電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，以液力變矩調(diào)速驅(qū)動(dòng)取代傳統(tǒng)的變頻饋電模式，在同步發(fā)電機(jī)前端進(jìn)行調(diào)速，有效解決了傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組存在的低電壓穿越能力差、無功輸出能力不足等問題，為風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)直接耦合提供了條件［6]。

目前已經(jīng)有相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)此新型機(jī)組進(jìn)行了研究［7－10]。文獻(xiàn)［7]通過建立傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，對(duì)液力調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了仿真研究；文獻(xiàn)［8]對(duì)液力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)［10]對(duì)液力傳動(dòng)裝置主要參數(shù)及其對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)性能的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。以上文獻(xiàn)主要針對(duì)液力變矩調(diào)速系統(tǒng)，從傳動(dòng)系統(tǒng)特性分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等不同方面進(jìn)行了研究。

本文以前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組為對(duì)象，對(duì)其輸出功率優(yōu)化控制進(jìn)行研究，采用差分進(jìn)化算法對(duì)機(jī)組槳距角與導(dǎo)葉開度角兩個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，風(fēng)電機(jī)組的變槳控制器與液力調(diào)速控制器根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行控制，確保兩個(gè)系統(tǒng)相互配合、協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的優(yōu)化控制。

2 前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組

2.1 工作原理

傳統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組采用變頻調(diào)速技術(shù)，通過變頻器控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、頻率和功率的調(diào)節(jié)。前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組采用無刷電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)（EESG）發(fā)電，通過液力變矩調(diào)速技術(shù)在EESG前端進(jìn)行調(diào)速。風(fēng)能由風(fēng)輪輸入，經(jīng)過增速齒輪箱增速和液力變矩調(diào)速系統(tǒng)WinDrive將變化的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為EESG正常工作所需的恒定輸入轉(zhuǎn)速，最后通過EESG直接并入電網(wǎng)提供電能，其機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

2.2 變槳系統(tǒng)

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)特性，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲與風(fēng)速v存在以下關(guān)系：

式中：Pm為風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率，S為風(fēng)輪掃掠面積，ρ為空氣密度，v為風(fēng)速，λ為葉尖速比，β為槳距角。CP為風(fēng)能利用系數(shù)，描述其變化的精確表達(dá)式目前還難以獲得，為了研究需要，本文對(duì)CP進(jìn)行近似處理，給出其近似表達(dá)式：

式中，ω為風(fēng)力機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，R為風(fēng)輪半徑。風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩Tm與風(fēng)速v的關(guān)系式如下：

由式（2）分析可知：槳距角β一定時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)CP存在唯一最大值；槳距角β為零時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)CP最大；當(dāng)β增大時(shí)，CP值逐漸減小。根據(jù)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作特性確定其不同運(yùn)行狀態(tài)下的變槳控制策略：在低于額定風(fēng)速時(shí)，為了獲得最大風(fēng)能利用率，令β＝0，可最大程度捕獲風(fēng)能；在高于額定風(fēng)速時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速調(diào)節(jié)槳距角，使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率保持在額定值附近。

2.3 液力變矩調(diào)速系統(tǒng)

從功率傳遞角度分析，由風(fēng)輪輸入的變速變轉(zhuǎn)矩的功率，經(jīng)過行星齒輪箱及液力變矩調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩的功率輸出，直接作為EESG的輸入功率，從而保證風(fēng)電機(jī)組正常工作向電網(wǎng)輸送有功功率。

液力變矩調(diào)速系統(tǒng)在變速輸入與恒速輸出的轉(zhuǎn)換過程中起調(diào)節(jié)控制的作用，對(duì)其工作原理及特性進(jìn)行分析可知，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩與液力變矩系統(tǒng)行星架轉(zhuǎn)矩關(guān)系式如下：

液力變矩調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部泵輪轉(zhuǎn)矩與渦輪轉(zhuǎn)矩關(guān)系式如下：

其中，TT為渦輪轉(zhuǎn)矩；TP為泵輪轉(zhuǎn)矩；D為液力變矩器油密度；μ為液力變矩器變矩比；λP為泵輪力矩系數(shù)。

變化的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，恒定的發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速，即渦輪輸出轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速之間的匹配關(guān)系為：

其中，ωG為發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速，ωB為泵輪輸出轉(zhuǎn)速，ωT為渦輪輸出轉(zhuǎn)速，irj為風(fēng)輪到行星架的傳動(dòng)比，a和b為液力變矩調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。式（6）為發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速之間應(yīng)保持的關(guān)系。風(fēng)輪通過驅(qū)動(dòng)行星架旋轉(zhuǎn)，太陽輪驅(qū)動(dòng)液力變矩器泵輪和發(fā)電機(jī)，渦輪驅(qū)動(dòng)齒圈旋轉(zhuǎn)，通過液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，使齒圈轉(zhuǎn)速響應(yīng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化，從而達(dá)到發(fā)電機(jī)恒轉(zhuǎn)速輸入的目的。最后液力變矩器輸出的轉(zhuǎn)矩與同步發(fā)電機(jī)輸入的轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系式如下：

對(duì)以上各式進(jìn)行分析：λP是關(guān)于iTB和導(dǎo)葉開度x的函數(shù)，iTB是關(guān)于風(fēng)速v和ωP的函數(shù)，ωP是關(guān)于與風(fēng)速v的函數(shù)。將式（4）、（5）代入式（6），則電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩可表示為關(guān)于風(fēng)速v和導(dǎo)葉開度x的函數(shù)，如式（7）所示：

由液力變矩調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分析，得到導(dǎo)葉開度角θ的表達(dá)式為：

以上各式的推導(dǎo)以及具體參數(shù)定義請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)［7-10]。

針對(duì)液力變矩系統(tǒng)工作原理分析及相關(guān)參數(shù)的推導(dǎo)確定液力變矩調(diào)速系統(tǒng)的控制策略：在變風(fēng)速情況下，通過導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)，改變液力變矩器傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪轉(zhuǎn)速的控制，液力變矩器輸出的渦輪轉(zhuǎn)速通過差動(dòng)輪系與外齒圈相互作用，帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，保證EESG輸入保持在1500rpm的額定轉(zhuǎn)速，即實(shí)現(xiàn)前端調(diào)速功能；同時(shí)通過對(duì)導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)改變液流動(dòng)量矩，進(jìn)而改變渦輪的力矩，即實(shí)現(xiàn)變矩功能。綜合以上分析，設(shè)計(jì)前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組有功功率控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)電機(jī)組有功功率控制結(jié)構(gòu)框圖

3 風(fēng)電機(jī)組功率優(yōu)化控制

3.1 優(yōu)化控制策略

由于風(fēng)能的不確定性以及風(fēng)電機(jī)組本身的特性，風(fēng)電并網(wǎng)輸出有功功率波動(dòng)較大，會(huì)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成負(fù)面影響。因此有必要對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率進(jìn)行控制，提高輸出有功的平滑性，進(jìn)而提高機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

本文針對(duì)額定風(fēng)速以上前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組有功功率優(yōu)化控制進(jìn)行研究。功率優(yōu)化控制方法采用分級(jí)遞階控制結(jié)構(gòu)，將前端調(diào)速式風(fēng)電系統(tǒng)分為兩級(jí)，上級(jí)為功率優(yōu)化控制系統(tǒng)，下級(jí)分為兩個(gè)子系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)液力變矩調(diào)速系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性與風(fēng)電機(jī)組輸出功率平滑性構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)。使Wind－Drive的輸出轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，機(jī)組輸出功率平滑性趨于最優(yōu)。建立風(fēng)電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

式中，f01（β，θ）為液力變矩器輸出轉(zhuǎn)速的波動(dòng)大??；f02（β，θ）為風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)大小，二者均取最小值，即滿足液力變矩調(diào)速系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速恒定，風(fēng)電機(jī)組輸出功率曲線平滑性最優(yōu)。其表達(dá)式如下：

式中：ωref＝1500rpm，為同步發(fā)電機(jī)正常工作所需要的額定轉(zhuǎn)速；ωG為液力變矩調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速，由式（4）、（5）、（6）給出；Pref＝2000kW，為風(fēng)電機(jī)組輸出額定功率；PG為風(fēng)電機(jī)組實(shí)際輸出功率；v為輸入變量；β與θ為待優(yōu)化參數(shù)。

在功率優(yōu)化控制系統(tǒng)中，根據(jù)所構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)，采用差分進(jìn)化算法尋優(yōu)，在給定約束條件下求解風(fēng)電機(jī)組的最佳運(yùn)行控制參數(shù)槳距角β和導(dǎo)葉開度角θ。一方面，變槳控制器根據(jù)優(yōu)化后給出的槳距角控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，保證輸出功率的平滑與穩(wěn)定；另一方面，液力變矩控制器根據(jù)優(yōu)化后給出的導(dǎo)葉開度進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，進(jìn)一步平滑機(jī)組的輸出功率。

3.3 約束條件

（1）風(fēng)電機(jī)組出力上下限約束

該約束保證機(jī)組持續(xù)輸出有功，同時(shí)其上限應(yīng)維持在額定值附近；對(duì)變量v要求其在額定風(fēng)速12m／s以上，同時(shí)又不能超出機(jī)組切除風(fēng)速25m／s，保證機(jī)組在正常工況下運(yùn)行。

（2）槳距角與導(dǎo)葉開度角調(diào)節(jié)范圍約束

該約束考慮變槳系統(tǒng)槳距角調(diào)節(jié)范圍，β在0°至90°間變化；考慮變矩系統(tǒng)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)范圍，θ在0°至37°之間變化；也考慮限定待優(yōu)化變量范圍，以方便算法快速尋優(yōu)。

（3）有功輸出誤差與轉(zhuǎn)速輸出誤差約束

該約束考慮同步發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速要求，保證其穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速值附近，且波動(dòng)誤差不超過5rpm；也考慮風(fēng)電機(jī)組有功輸出范圍要求，波動(dòng)誤差不超過200kW。ΔPG與ΔωG分別為一個(gè)控制周期內(nèi)機(jī)組輸出有功與液力變矩調(diào)速系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速的誤差變化。

3.4 差分進(jìn)化算法

差分進(jìn)化算法（Differential Evolution Algorithm，DE）由Storn和Price于1995年提出，是一種基于實(shí)數(shù)編碼的進(jìn)化計(jì)算技術(shù)。最初設(shè)想用于解決切比雪夫多項(xiàng)式問題，后來發(fā)現(xiàn)DE算法也是解決復(fù)雜優(yōu)化問題的有效技術(shù)。DE算法通過群體內(nèi)個(gè)體間的合作與競爭產(chǎn)生的群體智能指導(dǎo)優(yōu)化搜索。相比于傳統(tǒng)進(jìn)化算法保留了基于種群的全局搜索策略，采用實(shí)數(shù)編碼、基于差分的簡單變異操作和一對(duì)一的競爭生存策略，降低了遺傳操作的復(fù)雜性［11]。

在可行域內(nèi)討論研究minf（x）優(yōu)化問題，假設(shè)初始種群為第 t代種群為種群規(guī)模為 N，變異常數(shù)為 F，交叉概率為 CR，變異后的中間個(gè)體為 ui（t），原目標(biāo)個(gè)體與變異后中間個(gè)體隨機(jī)交叉得到的中間個(gè)體為 Wi（t），則 DE 算法過程描述如下：

（1）初始化：在解空間內(nèi)選擇 X（0）作為初始種群，設(shè)置變異常數(shù)為F、交叉概率為CR、種群規(guī)模為N。為保證初始種群內(nèi)每個(gè)個(gè)體都是優(yōu)化問題的可能解，初始化種群使之在給定范圍內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)取值。

（2）變異：隨機(jī)選擇 r1，r2，r3∈rand（1，n），且 i≠r1≠r2≠r3，則：

其中 N≥4，變異算子 F∈［0，2] ，是一個(gè)實(shí)常數(shù)因數(shù)，控制偏差變量的放大。

（3）交叉：

（4）選擇：

本文所建立的功率優(yōu)化模型為多約束非線性模型，對(duì)該模型的求解為多目標(biāo)優(yōu)化求解。本文采用將子代個(gè)體和父代個(gè)體進(jìn)行選擇操作后獲得混合種群的多目標(biāo)差分進(jìn)化（Differential Evolution for Multi-objective Optimization，DEMO）。DEMO 中采用與標(biāo)準(zhǔn)差分進(jìn)化算法一致的種群初始化、選擇、交叉操作。不同點(diǎn)在于，針對(duì)多目標(biāo)求解問題，在個(gè)體進(jìn)行選擇操作時(shí)，引入Pareto支配概念。按照子代個(gè)體與父代個(gè)體的目標(biāo)適應(yīng)值，確定進(jìn)入臨時(shí)種群P的個(gè)體。對(duì)經(jīng)過選擇操作后的臨時(shí)種群，為維持種群規(guī)模，對(duì)其進(jìn)行基于快速支配排序和擁擠度計(jì)算的階段操作，從而確定進(jìn)入下一代的個(gè)體。

差分進(jìn)化算法運(yùn)行參數(shù)少，但每個(gè)參數(shù)對(duì)算法的求解效率和優(yōu)化結(jié)果有很大影響。變異因子F控制差分向量的變異程度，影響優(yōu)化求解的收斂速度。交叉概率CR影響種群多樣性，避免算法陷入局部最優(yōu)解。本文對(duì)參數(shù)選擇采取動(dòng)態(tài)調(diào)整策略［12]。在進(jìn)化初期選擇較小的變異因子與交叉概率，保證算法穩(wěn)定性；進(jìn)化后期選擇較大的變異因子與交叉概率，提高優(yōu)化求解的收斂速度。

在本文所設(shè)計(jì)的功率優(yōu)化控制器中，采用DEMO對(duì)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。開始隨機(jī)生成種群P，種群規(guī)模為N。對(duì)種群進(jìn)行非支配排序，每對(duì)解的適應(yīng)度就是它的非支配水平。進(jìn)行選擇、交叉和變異，生成子代種群Q，進(jìn)入DEMO循環(huán)，最后得到Pareto解集，對(duì)解集中的解加權(quán)平均作為目標(biāo)優(yōu)化的最優(yōu)解。

4 仿真與分析

4.1 算法實(shí)例

本文在前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，運(yùn)用MATLAB語言編寫優(yōu)化算法程序并生成m文件。取額定風(fēng)速v＝11m／s工況下進(jìn)行優(yōu)化。風(fēng)電機(jī)組基本參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)電機(jī)組參數(shù)表

算法基本參數(shù)設(shè)置如下：初始種群大小N＝50，最優(yōu)前端個(gè)體系數(shù)為 0.4，變異因子 Fmax＝0.7、Fmin＝0.3，交叉概率 CRmax＝0.8，CRmin＝0.2，最大迭代次數(shù)tmax＝200，適應(yīng)度函數(shù)偏差值為 0.1。

在DEMO優(yōu)化運(yùn)行過程中，自動(dòng)繪制出第一前端中個(gè)體的分布情況，個(gè)體分布隨著算法進(jìn)化一代而更新一次。當(dāng)滿足最大迭代次數(shù)迭代停止后，得到如圖4所示的第一前端個(gè)體分布圖。

圖4 第一前端個(gè)體分布圖

由圖4可以看出，第一前端的Pareto最優(yōu)解分布均勻，同時(shí)，在Workspace中返回本次運(yùn)行所得到的Pareto最優(yōu)解如表2所示。

表2 算法運(yùn)行所得Pareto最優(yōu)解

從表2可以看出，返回的Pareto最優(yōu)解個(gè)數(shù)為20個(gè)，對(duì)比算法初始種群大小50，最優(yōu)前端個(gè)體系數(shù)0.4的設(shè)置發(fā)揮了作用，同時(shí)可以看出個(gè)體被限制在［0，37] 、［0，90] 的范圍內(nèi)。由于算法初始種群隨機(jī)產(chǎn)生，因此每次運(yùn)行的結(jié)果不一樣，但是可以保證算法每次優(yōu)化所得的解是滿足目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。

4.2 整機(jī)運(yùn)行仿真與分析

在Simulink環(huán)境下搭建前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組整機(jī)運(yùn)行仿真模型。所編寫的參數(shù)優(yōu)化程序通過自定義S函數(shù)實(shí)現(xiàn)與仿真模型的連接，如圖5所示。

圖5 風(fēng)電機(jī)組功率優(yōu)化控制仿真模型圖

以10秒為時(shí)長進(jìn)行仿真，運(yùn)行結(jié)果如圖6-圖10所示。

圖6 風(fēng)速曲線圖

圖7 槳距角變化曲線圖

圖8 導(dǎo)葉開度變化曲線圖

圖9 槳距角曲線對(duì)比圖

圖10 機(jī)組輸出功率曲線對(duì)比圖

圖6所示為仿真所用的風(fēng)速樣本。圖7所示為優(yōu)化控制模塊根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速優(yōu)化后給出的變槳系統(tǒng)槳距角變化曲線圖?？梢钥闯鰳嘟请S風(fēng)速變化，風(fēng)速較大時(shí)，槳距角增大，風(fēng)速較小時(shí)，槳距角減小，其變化趨勢(shì)與理論分析情況相符合。變槳系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化給出的槳距角進(jìn)行控制，在高風(fēng)速情況下限制風(fēng)能吸收，保證機(jī)組輸出功率穩(wěn)定在額定值附近。

圖8所示為優(yōu)化所得液力變矩調(diào)速系統(tǒng)的導(dǎo)葉開度變化曲線。導(dǎo)葉開度隨風(fēng)速在0.3－0.6范圍內(nèi)變化，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開度角在 11.1°－22.2°范圍內(nèi)變化，液力調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化后所提供的導(dǎo)葉開度進(jìn)行控制，一方面實(shí)現(xiàn)液力調(diào)速系統(tǒng)1500rpm額定輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，作為同步發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速保證其正常工作；另一方面液力變矩器根據(jù)導(dǎo)葉開度對(duì)渦輪輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)同步電機(jī)主軸轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組輸出功率的平滑性調(diào)節(jié)。

圖9所示為優(yōu)化前后機(jī)組槳距角的變化曲線對(duì)比圖。從趨勢(shì)上看，優(yōu)化后槳距角變化與實(shí)際運(yùn)行情況保持一致。從數(shù)值上看，通過參數(shù)優(yōu)化控制模塊直接求解提供精確槳距角給變槳系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，減小了變槳系統(tǒng)動(dòng)作頻率，減輕了風(fēng)輪處的振動(dòng)及由此引起的部分載荷。

圖10所示是將加入優(yōu)化算法前后的風(fēng)機(jī)模型聯(lián)合仿真得出的機(jī)組輸出功率曲線對(duì)比圖。從圖中可以看出，機(jī)組的輸出功率隨風(fēng)速變化，優(yōu)化前機(jī)組輸出功率波動(dòng)較大，且瞬時(shí)幅值最高為300kW，優(yōu)化后功率波動(dòng)較小，瞬時(shí)幅值最高為100kW，輸出有功的平滑性有了明顯提高。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)新型前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組有功功率控制進(jìn)行研究，從參數(shù)優(yōu)化角度出發(fā)，提出了基于差分進(jìn)化算法的風(fēng)電機(jī)組功率優(yōu)化控制策略，編寫優(yōu)化算法程序，通過自定義模塊與前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組模型連接運(yùn)行，求解得出符合當(dāng)前工況的最優(yōu)槳距角和導(dǎo)葉開度角，機(jī)組控制系統(tǒng)以此為參考分別對(duì)變槳與液力變矩系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制。仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的控制策略明顯抑制了發(fā)電機(jī)的功率波動(dòng)，保證了機(jī)組輸出功率的平滑性，也驗(yàn)證了該控制方法的有效性和可行性。

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