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

    2015-09-22 06:56:14張生睿董海鷹
    電氣傳動(dòng)自動(dòng)化 2015年6期
    關(guān)鍵詞:距角液力導(dǎo)葉

    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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