基于空氣密度補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)電場(chǎng)最優(yōu)發(fā)電控制

文 | 黃佳佳，陳凱，婁堯林

基于空氣密度補(bǔ)償?shù)娘L(fēng)電場(chǎng)最優(yōu)發(fā)電控制

文 | 黃佳佳，陳凱，婁堯林

影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的因素很多，如空氣密度、風(fēng)質(zhì)量、偏航對(duì)風(fēng)精確度、控制策略等，這些因素也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際功率曲線跟標(biāo)準(zhǔn)功率曲線存在一定的差異。本文以空氣密度為單一影響因素，來分析其對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的影響，并設(shè)計(jì)了風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)級(jí)控制器，通過空氣密度補(bǔ)償，提高風(fēng)電場(chǎng)的年發(fā)電量。

空氣密度隨氣溫、氣壓、濕度等的變化而時(shí)刻變化，同一風(fēng)電場(chǎng)的空氣密度隨四季的變化以及晝夜溫差變化而變化?？諝饷芏群惋L(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩密切相關(guān)，一般風(fēng)電機(jī)組在設(shè)計(jì)階段計(jì)算最優(yōu)轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩曲線時(shí)，空氣密度取當(dāng)?shù)氐哪昶骄担虼嗽陲L(fēng)電場(chǎng)空氣密度偏離年平均值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行都會(huì)偏離最優(yōu)，導(dǎo)致實(shí)際功率曲線低于標(biāo)準(zhǔn)功率曲線。

空氣密度變化與風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的關(guān)系

空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的影響主要發(fā)生在風(fēng)速小于額定風(fēng)速的變轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，通過轉(zhuǎn)矩控制調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速，使葉尖速度與風(fēng)速之比保持不變，獲得最佳功率系數(shù)，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。

空氣密度可根據(jù)理想氣體方程得到：

式中，ρ為空氣密度；P為大氣壓強(qiáng)；T為溫度；R為常數(shù)，其值為287.053。

風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中獲取的機(jī)械功率為：

式中，ρ為空氣密度；A為葉輪掃風(fēng)面積；CP為風(fēng)能利用系數(shù)；υ為風(fēng)速。

式（2）中CP表示風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中捕獲能量大小的程度，為了說明風(fēng)能利用系數(shù)，引入葉尖速比λ，其公式如下：

式中，ωr為風(fēng)電機(jī)組葉輪角速度；R為葉片半徑。

對(duì)于特定的葉片，最佳葉尖速比λopt唯一，在最佳葉尖速比下，風(fēng)能利用系數(shù)最大，為Cpmax。由于風(fēng)速測(cè)量的不可靠性，難以建立轉(zhuǎn)速與風(fēng)速間直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此用已知的Cpmax和λopt替代風(fēng)速υ計(jì)算Popt，得到最佳功率與最佳控制轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

式中，G為齒輪箱速比，ωg為葉輪轉(zhuǎn)速。

在式（5）中，由于G、Cpmax和λopt都是定值，因此可簡(jiǎn)化為：

式中，令 Kopt＝ρK，Kopt最佳控制系數(shù)。當(dāng)前策略中，空氣密度ρ取年平均值，則Kopt為定值，而實(shí)際Kopt隨空氣密度ρ實(shí)時(shí)變化。用固定的年平均空氣密度計(jì)算出的轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩曲線來控制空氣密度實(shí)時(shí)變化的機(jī)組運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行偏離最優(yōu)。

本文通過空氣密度補(bǔ)償策略，為機(jī)組提供隨空氣密度變化的實(shí)時(shí)Kopt值，從而糾正固定Kopt值帶來的偏差，使轉(zhuǎn)矩控制在最佳狀態(tài)。

空氣密度補(bǔ)償策略仿真分析

本文選取內(nèi)蒙古赤峰風(fēng)電場(chǎng)的1.5MW風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，仿真工具使用GH Bladed。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的限制，該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的變轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)為風(fēng)速4.5 m/s －8m/s。

赤峰風(fēng)電場(chǎng)海拔1457m，測(cè)風(fēng)塔高度70m，在7m處裝有溫度傳感器、氣壓傳感器，溫度、氣壓數(shù)據(jù)每10分鐘采集1次，選取2009年全年數(shù)據(jù)共52560個(gè)樣本點(diǎn)。風(fēng)電場(chǎng)全年氣溫變化如圖1所示，其中當(dāng)年最高氣溫39℃，最低氣溫－28.1℃；全年的日最大溫差達(dá)23℃；全年最小溫差1.5℃。

全年氣壓變化如圖2所示，其中全年最高氣壓85.8kPa，全年最低氣壓82.8kPa。

由測(cè)得的溫度與氣壓值計(jì)算得到的空氣密度變化如圖3所示，其中：

ρmax－全年最大密度1.1974kg/m3；

ρmin－全年最小密度0.9636 kg/m3；

ρa(bǔ)vg年平均密度1.0695 kg/m3。

計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的最佳控制系數(shù)如下：

為了對(duì)比固定Kopt值和實(shí)時(shí)Kopt值對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響，選取空氣密度最大值和最小值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)以下工況的靜態(tài)功率曲線進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4中8m/s風(fēng)速時(shí)，從上至下4條曲線分別為工況（1）、（2）、（4）、（3），從圖中看出，不同密度下，靜態(tài)功率曲線相差較大，說明風(fēng)電機(jī)組的功率跟實(shí)際空氣密度的關(guān)系密切；相同密度下，最佳控制系數(shù)Kopt的改變影響的主要是風(fēng)速5m/s－9m/s之間的功率，但整體來說對(duì)靜態(tài)功率曲線的影響不大。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證空氣密度補(bǔ)償對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的影響，隨機(jī)選取某一天的風(fēng)速進(jìn)行仿真。其采樣時(shí)間對(duì)應(yīng)于溫度和氣壓采樣時(shí)間，則一天的采樣點(diǎn)數(shù)為144，再分別選取空氣密度最大和最小當(dāng)天的144個(gè)空氣密度點(diǎn)進(jìn)行仿真，分為如下四種情況：

（1）風(fēng)速、最大當(dāng)天空氣密度、實(shí)時(shí)Kopt；

（2）風(fēng)速、最大當(dāng)天空氣密度、Koptavg；

（3）風(fēng)速、最小當(dāng)天空氣密度、實(shí)時(shí)Kopt；

（4）風(fēng)速、最小當(dāng)天空氣密度、Koptavg。

2009年06月26日的空氣密度在均值以下，且當(dāng)天有全年最小值；Kopt變化范圍：0.144022→ 0.138246，變化幅度0.005776。

2010年01月05日的空氣密度在均值以上，且當(dāng)天有全年最大值；Kopt變化范圍：0.171792→ 0.16783，變化幅度0.003963。

分別對(duì)（1）、（2）組和（3）、（4）組進(jìn)行仿真對(duì)比，得到同樣的風(fēng)況條件下，空氣密度最大和最小當(dāng)天，最佳控制系數(shù)取年平均值和實(shí)時(shí)值的差別，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1和表2所示。

數(shù)據(jù)顯示：（1）最佳控制系數(shù)Kopt在實(shí)時(shí)和默認(rèn)兩種情況下對(duì)發(fā)電量的影響主要在5m/s－8m/s風(fēng)速段，在最佳控制系數(shù)的有效作用區(qū)段之內(nèi)；（2）即使空氣密度在極限值，最優(yōu)增益實(shí)時(shí)跟蹤空氣密度對(duì)發(fā)電量的提升也不大，小于1%，但并不排除在其他風(fēng)電場(chǎng)，空氣密度與年平均密度的偏差幅度更大，采用密度補(bǔ)償?shù)男Ч赡芨黠@。

表1 空氣密度最大當(dāng)天數(shù)據(jù)

場(chǎng)級(jí)控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)級(jí)控制是指風(fēng)電機(jī)組的檢測(cè)元件、啟?？刂频缺O(jiān)測(cè)操作不局限于單臺(tái)控制，而是通過場(chǎng)級(jí)控制器或SCADA軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)、操作，甚至算法計(jì)算等等，達(dá)到風(fēng)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性、高效性的運(yùn)行控制目的。

由于氣壓在一定范圍內(nèi)變化緩慢，因此可在一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中安裝一個(gè)氣壓傳感器，通過風(fēng)電機(jī)組場(chǎng)級(jí)控制來為風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)電機(jī)組提供氣壓參數(shù)。

空氣密度補(bǔ)償場(chǎng)級(jí)控制是將氣壓傳感器接入到場(chǎng)級(jí)控制器上，氣壓傳感器測(cè)得風(fēng)電場(chǎng)的氣壓信號(hào)后，再通過場(chǎng)級(jí)控制器將該信號(hào)下行傳輸?shù)礁髋_(tái)風(fēng)電機(jī)組中。

空氣密度補(bǔ)償在單機(jī)側(cè)控制要實(shí)現(xiàn)：

（1） 從場(chǎng)級(jí)控制器讀取氣壓信號(hào)后，根據(jù)密度計(jì)算公式，由氣壓信號(hào)和風(fēng)電機(jī)組的艙外溫度算出大氣密度。

（2） 可選擇是否啟用空氣密度補(bǔ)償功能。如不啟用，默認(rèn)使用算法表提供的最佳控制系數(shù)；如要啟用，則根據(jù)算出的大氣密度值和該風(fēng)電機(jī)組的艙外溫度值計(jì)算空氣密度。

氣壓傳感器測(cè)得風(fēng)電場(chǎng)氣壓值后轉(zhuǎn)換送出4mA－20mA信號(hào)發(fā)送給場(chǎng)級(jí)控制器，再由場(chǎng)級(jí)控制器通過以太網(wǎng)連接到風(fēng)電場(chǎng)環(huán)網(wǎng)與各個(gè)風(fēng)電機(jī)組、SCADA上位機(jī)通訊。場(chǎng)級(jí)控制器還可根據(jù)新需求加入其它傳感器，如冰凍傳感器等，整體控制示意圖如圖7所示。

結(jié)論

本文通過選取內(nèi)蒙古赤峰風(fēng)電場(chǎng)任意一天的風(fēng)況，對(duì)實(shí)時(shí)空氣密度和默認(rèn)空氣密度兩種情況進(jìn)行仿真與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到：

（1）空氣密度補(bǔ)償有利于風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的提升，主要影響區(qū)段在風(fēng)速5m/s－8m/s之間，但是提升效果不大，在空氣密度最大當(dāng)天的提高量為0.07%，在空氣密度最小當(dāng)天的提高量為0.05%?？諝饷芏妊a(bǔ)償對(duì)發(fā)電量的影響取決于實(shí)時(shí)密度和年平均密度的差值，相差越大，對(duì)發(fā)電量的影響越大。

（2）開發(fā)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)級(jí)控制器，通過空氣密度補(bǔ)償，一定程度上可以提高風(fēng)電場(chǎng)的年發(fā)電量。

（作者單位：浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司）