基于數(shù)據(jù)分析的風(fēng)電機(jī)組基本控制策略研究

文 | 周世東

通常，我們對(duì)風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，主要用來(lái)進(jìn)行故障統(tǒng)計(jì)、功率曲線分析。實(shí)際上，監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)著很多機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以確定機(jī)組的一些運(yùn)行控制規(guī)律和策略。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比分析，還能得出理論控制策略與實(shí)際控制策略的差別，以及不同廠家、不同類型機(jī)組控制策略的區(qū)別。

本文通過(guò)對(duì)Vestas公司生產(chǎn)的V42-600kW、屏蔽RCC降功率為300kW運(yùn)行的V42機(jī)組和V80-2000kW機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，以及與Vestas提供的技術(shù)手冊(cè)進(jìn)行對(duì)比分析得出了一些控制規(guī)律和策略。

V42-600kW機(jī)組的控制

早期Vestas公司生產(chǎn)的V42-600機(jī)組，采用全葉片變槳距控制，繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)通過(guò)RCC控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，運(yùn)行在轉(zhuǎn)速1515～1650rpm范圍內(nèi)。

V42機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)每30分鐘存儲(chǔ)一次機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，主要包括日期、時(shí)間、風(fēng)速、功率、轉(zhuǎn)速、變槳角度，數(shù)據(jù)格式為文本格式，中間以空格間隔。由于采集間隔較長(zhǎng)，為了保證數(shù)據(jù)量的充足及便于進(jìn)行比較，選取故障率低的12臺(tái)機(jī)組，其中6臺(tái)為功能完好、以額定功率600kW運(yùn)行的機(jī)組，另外6臺(tái)則是由于RCC故障進(jìn)行屏蔽、降功率為300kW運(yùn)行的機(jī)組，以便分析V42-600kW機(jī)組的各種控制規(guī)律及RCC屏蔽后機(jī)組控制規(guī)律的變化。選取風(fēng)況較好的2～3個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，按照機(jī)組編號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、鏈接，濾除重復(fù)數(shù)據(jù)及故障停機(jī)的數(shù)據(jù)，最后對(duì)600kW和300kW機(jī)組的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行合并處理后導(dǎo)入Excel表格，形成的數(shù)據(jù)表格式如表1所示。

表1 V42機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)表

圖1 V42機(jī)組的功率/風(fēng)速曲線圖

再利用Excel對(duì)600kW和300kW的機(jī)組數(shù)據(jù)作X-Y散點(diǎn)圖。由排列組合可知，風(fēng)速、功率、轉(zhuǎn)速、變槳角度可組合生成6組X-Y散點(diǎn)圖。對(duì)每種組合的X-Y散點(diǎn)圖進(jìn)行分析，我們會(huì)得到一些機(jī)組的控制規(guī)律及控制參數(shù)。結(jié)合機(jī)組技術(shù)手冊(cè)提供的控制規(guī)律和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，得出V42機(jī)組的基本控制規(guī)律及策略如下：

一、功率控制

由功率/風(fēng)速數(shù)據(jù)生成的X-Y散點(diǎn)圖形成的趨勢(shì)線就是我們通常所說(shuō)的功率曲線，如圖1所示。SCADA系統(tǒng)也是利用運(yùn)行數(shù)據(jù)中的功率和風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出功率曲線。

從功率/風(fēng)速散點(diǎn)圖可以看出，機(jī)組的啟動(dòng)風(fēng)速大約為4m/s，額定風(fēng)速為15m/s，額定功率為600kW，由于采用變槳距控制，達(dá)到額定風(fēng)速后，額定功率能穩(wěn)定地控制在600kW。由于數(shù)據(jù)量有限，未能看出風(fēng)速達(dá)到25m/s切出后的曲線。

二、變槳角度控制

變槳角度控制分兩種情況：一種是機(jī)組并網(wǎng)前（轉(zhuǎn)速低于1500rpm）的變槳角度控制；另一種是并網(wǎng)后的變槳角度控制。這兩種過(guò)程采用不同的控制方式及策略。

（一）機(jī)組并網(wǎng)前的變槳角度控制

根據(jù)變槳角度/轉(zhuǎn)速散點(diǎn)圖（如圖2）所示，葉輪轉(zhuǎn)速低于50rpm時(shí)，變槳角度控制在40o不變，以便機(jī)組獲得最大啟動(dòng)扭矩。當(dāng)轉(zhuǎn)速在50～500rpm之間時(shí)，變槳角度從40o向2o進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且在此轉(zhuǎn)速范圍區(qū)間變槳角度與轉(zhuǎn)速呈一線性關(guān)系變化，在變槳角度/轉(zhuǎn)速散點(diǎn)圖上形成一條斜線，從而保證機(jī)組以最快速度啟動(dòng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在500～1500rpm之間，達(dá)到1500rpm并網(wǎng)轉(zhuǎn)速之前，變槳角度控制在2o不變，以便及時(shí)并入電網(wǎng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1500rpm附近時(shí)，機(jī)組調(diào)節(jié)變槳角度，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在1500rpm，將發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)。在不同風(fēng)速下，為了將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在1500rpm，需要不斷調(diào)節(jié)變槳角度以保證恒定轉(zhuǎn)速。因此在圖2中，轉(zhuǎn)速為1500rpm時(shí)的變槳角度為一豎直的直線。

通過(guò)變槳角度/轉(zhuǎn)速散點(diǎn)圖（圖2）得出的機(jī)組在并網(wǎng)前變槳角度隨葉輪轉(zhuǎn)速變化的控制規(guī)律與手冊(cè)提供的“機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速在0～500rpm范圍內(nèi)，葉片角度由45o向5o減小，并保持在5o，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到1500rpm”控制規(guī)律基本一致。以上控制參數(shù)之所以存在差異，是因?yàn)閰?shù)設(shè)置的不同。

（二）并網(wǎng)后的變槳角度控制

圖2 V42機(jī)組的變槳角度/轉(zhuǎn)速曲線圖

圖3 V42機(jī)組的變槳角度/功率曲線圖

根據(jù)變槳角度/功率散點(diǎn)圖（如圖3）所示，機(jī)組并網(wǎng)后、達(dá)到額定功率前，變槳角度隨功率的變化呈一條連續(xù)的曲線。變槳角度的變化范圍從并網(wǎng)時(shí)的2o逐漸向0o調(diào)整；功率在200kW附近，變槳角度接近0o；之后變槳角度隨功率增加而增加，達(dá)到額定功率600kW時(shí)，變槳角度接近4o，形成一條連續(xù)的光滑曲線。由此曲線可見(jiàn)，在達(dá)到額定功率前，機(jī)組變槳角度的控制是隨風(fēng)速變化尋找最佳槳距角控制，以達(dá)到最佳出力，而非某些機(jī)組的固定槳距角或根據(jù)風(fēng)速分段進(jìn)行槳距角控制。達(dá)到額定功率以后，通過(guò)變槳角度的控制，使機(jī)組控制在額定功率范圍不變，但是在此范圍內(nèi)變槳角度的變化隨風(fēng)速的變化范圍很大，大約在4～20 o的調(diào)節(jié)范圍，在此工作區(qū)變槳角度會(huì)隨風(fēng)速的變化頻繁進(jìn)行調(diào)節(jié)。

三、轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差率）控制

根據(jù)功率/轉(zhuǎn)速散點(diǎn)圖（如圖4）所示，從并網(wǎng)到達(dá)到額定功率期間，功率隨轉(zhuǎn)速的變化呈線性關(guān)系，此曲線的斜率即為轉(zhuǎn)差率。功率從0kW增加到600kW期間，轉(zhuǎn)速隨之從1500rpm增加到1530rpm，此時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為2%，可見(jiàn)從并網(wǎng)到功率達(dá)到額定功率之前，RCC控制發(fā)電機(jī)在2%恒定轉(zhuǎn)差率工作。

達(dá)到額定功率以后，RCC不斷實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率，控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化將一部分動(dòng)能儲(chǔ)存在傳動(dòng)系統(tǒng)中，以平滑發(fā)電機(jī)輸出功率，減少變槳機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)頻率，并彌補(bǔ)變槳調(diào)節(jié)響應(yīng)速度不足造成的功率瞬時(shí)變化及超調(diào)。這與機(jī)組手冊(cè)提供的功率/滑差曲線相一致，如圖5所示。

通過(guò)以上控制曲線可見(jiàn)，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率的變化范圍（1%～10%）很窄，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍為1515～1650rpm，因此，機(jī)組的調(diào)速范圍很窄。在額定功率以下并不隨風(fēng)速變化，通過(guò)轉(zhuǎn)差率控制實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速，可以達(dá)到最佳葉尖速比。RCC只在額定功率附近調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速，起到平滑功率的作用，同時(shí)減少變槳機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)的頻率。與目前的變槳、變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制模式和規(guī)律有很大區(qū)別。

圖4 V42機(jī)組的功率/轉(zhuǎn)速曲線圖

圖5 V42機(jī)組的滑差調(diào)節(jié)范圍

V42機(jī)組屏蔽RCC后的控制

在RCC電氣和控制單元故障的情況下，可以通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)的修改，屏蔽RCC的功能，并將額定功率改為300kW。通過(guò)對(duì)此類機(jī)型運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，功率控制及變槳控制的曲線基本不變，唯一變化的就是額定功率控制在300kW。但是由于RCC屏蔽后轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差率）調(diào)節(jié)功能的喪失，使得功率/轉(zhuǎn)速曲線發(fā)生了很大變化，RCC屏蔽后300kW運(yùn)行機(jī)組的功率/轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示。

從圖中可以看出，功率隨轉(zhuǎn)速的變化呈現(xiàn)為一條斜線，中間沒(méi)有轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可見(jiàn)RCC屏蔽后，RCC控制單元的IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，未對(duì)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差率）進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。從圖6中曲線可以看出，當(dāng)功率從0kW增加到300kW期間，轉(zhuǎn)速隨之從1500rpm增加到1575rpm，折算到600kW時(shí)的轉(zhuǎn)速為1650rpm。此時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為10%，可見(jiàn)RCC屏蔽后，由于RCC電阻單元的作用，發(fā)電機(jī)一直工作在最大轉(zhuǎn)差率（10%）狀態(tài)。

從可變轉(zhuǎn)差率發(fā)電機(jī)原理圖（如圖7）可知，當(dāng)RCC電氣單元IGBT全導(dǎo)通時(shí)，發(fā)電機(jī)在1%轉(zhuǎn)差率下運(yùn)行，類似于鼠籠式異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。當(dāng)RCC電氣單元 IGBT完全關(guān)斷時(shí)，發(fā)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)差率（10%）下運(yùn)行，通過(guò)控制IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率在1%～10%的范圍內(nèi)變化。但是，為了保證發(fā)電機(jī)能夠正常工作，電阻單元必須是完好的。否則，會(huì)引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)電壓時(shí)Crobar電路啟動(dòng)或者造成發(fā)電機(jī)等部件絕緣損壞。RCC故障屏蔽后，保證600kW運(yùn)行并不是不可能的。但是，在額定功率運(yùn)行時(shí)，由于沒(méi)有RCC轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平滑功率，容易引起功率超發(fā)故障。并且，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速1650rpm，超發(fā)電后轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，容易引起發(fā)電機(jī)超速故障。當(dāng)然，RCC故障屏蔽后，將功率參數(shù)設(shè)定到400～500kW運(yùn)行，又不發(fā)生超發(fā)或超速故障是完全可能的。在電阻單元同時(shí)損壞的情況下，可將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子引出線用銅排短接，并屏蔽RCC運(yùn)行。此時(shí)發(fā)電機(jī)在1%的最小轉(zhuǎn)差率下運(yùn)行，類似于鼠籠式發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。如果在額定功率下運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生超速故障，但仍會(huì)發(fā)生功率超發(fā)現(xiàn)象。

V80-2000機(jī)組的控制

V80機(jī)組是采用雙饋發(fā)電機(jī)，變槳、變速控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速1680rpm，啟動(dòng)風(fēng)速4m/s，額定風(fēng)速15m/s，額定功率2000kW。

圖6 V42機(jī)組屏蔽RCC后的功率/轉(zhuǎn)速曲線圖

圖7 可變轉(zhuǎn)差率發(fā)電機(jī)電氣原理圖

機(jī)組在并網(wǎng)前的控制策略與V42機(jī)組基本相同，只是一些控制參數(shù)稍有變化；但是，由于V80機(jī)組是變槳變速機(jī)組，在并網(wǎng)后的控制策略與V42機(jī)組的可變轉(zhuǎn)差率控制相比大有不同。

一、機(jī)組并網(wǎng)前轉(zhuǎn)速控制

在機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)前，變槳角度隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化散點(diǎn)如圖8所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在250rpm以下時(shí)，變槳角度控制在固定的32°，以獲得最大的啟動(dòng)力矩。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速（250～1250rpm）之前，機(jī)組不斷減小變槳角度，直到達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速1250rpm。

二、機(jī)組在部分功率下的轉(zhuǎn)速控制

當(dāng)風(fēng)速在切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間、機(jī)組工作在額定功率之下時(shí)，機(jī)組將被控制在最高的發(fā)電效率上。機(jī)組的部分功率控制，按照風(fēng)速范圍將分為3個(gè)風(fēng)速階段。如圖9的轉(zhuǎn)速/風(fēng)速曲線所示。

（一）工作在啟動(dòng)風(fēng)速范圍階段

在這個(gè)風(fēng)速階段，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速1250rpm，以保證發(fā)電機(jī)的正常并網(wǎng)發(fā)電。此階段風(fēng)速范圍為 4 ～ 6m/s。

圖8 變槳角度/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線圖

圖9 V80的機(jī)組轉(zhuǎn)速/風(fēng)速曲線圖

（二）工作在最高風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率階段

在這個(gè)風(fēng)速階段，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速呈正比例變化，以保證葉輪獲得最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率。此階段風(fēng)速范圍為 6 ～ 10m/s。

（三）工作在額定轉(zhuǎn)速階段

當(dāng)風(fēng)速大于10m/s，機(jī)組工作在額定轉(zhuǎn)速1680rpm，由于陣風(fēng)的影響，轉(zhuǎn)速會(huì)在額定點(diǎn)附近變化。

從轉(zhuǎn)速/功率曲線可以看出，由于機(jī)組的工作轉(zhuǎn)速范圍（1250 ～1680rpm）較小，因此，不可能在整個(gè)部分功率風(fēng)速范圍（4 ～5m/s）內(nèi)都保證葉輪有最高轉(zhuǎn)化效率，只能在中間段（6 ～10m/s）內(nèi)保證葉輪有最高轉(zhuǎn)化效率。

三、機(jī)組在額定功率下的轉(zhuǎn)速控制

當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速、小于切出風(fēng)速（15 ～25m/s）前，通過(guò)變槳角度控制機(jī)組在額定功率發(fā)電，此時(shí)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速仍然工作在額定轉(zhuǎn)速。

通過(guò)以上分析，V80機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化范圍為1250～1680rpm，比V42要寬很多，其較寬的轉(zhuǎn)速范圍控制用于低風(fēng)速下，以保證最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率。而V42機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化范圍為1515～1650rpm，僅用于控制機(jī)組在額定功率段平滑功率輸出。由于被分析的V80機(jī)組沒(méi)有采用星-三角切換，因此，其部分功率控制的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速范圍存在較大差異。并且其轉(zhuǎn)速變化范圍也較有星-三角切換的機(jī)組要小很多。

結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)V42-600kW、屏蔽RCC降功率300kW運(yùn)行的V42機(jī)組和V80-2000kW機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，得出機(jī)組在變槳角度、功率、轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化的一些控制規(guī)律和策略，以及這幾種機(jī)型控制上的差異。如在機(jī)組上加裝扭矩傳感器等，對(duì)以上數(shù)據(jù)和發(fā)電量等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集分析，會(huì)得到機(jī)組功率控制、扭矩控制、轉(zhuǎn)速控制等更準(zhǔn)確及詳細(xì)的控制規(guī)律及策略。