分散式風(fēng)電機(jī)組復(fù)雜風(fēng)況下陣風(fēng)控制及載荷優(yōu)化設(shè)計(jì)

，，

(許昌許繼風(fēng)電科技有限公司， 河南 許昌 461000)

0 引言

隨著我國(guó)棄風(fēng)限電問(wèn)題的加劇，我國(guó)風(fēng)電開發(fā)重心正由三北地區(qū)向中東南部地區(qū)轉(zhuǎn)移，該部分地區(qū)風(fēng)電開發(fā)以分散式為主[1]。由于優(yōu)質(zhì)風(fēng)資源比較少且大都分布在山區(qū)等復(fù)雜地形，受地形高低起伏等環(huán)境因素的影響，運(yùn)行風(fēng)況相對(duì)復(fù)雜，風(fēng)電機(jī)組經(jīng)常受到無(wú)規(guī)律強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊?，F(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)組變槳技術(shù)發(fā)展很快，自動(dòng)化程度很高，具有很高的調(diào)節(jié)能力，但由于當(dāng)前應(yīng)用于復(fù)雜風(fēng)況的風(fēng)電機(jī)組葉片長(zhǎng)、慣性大等因素，使系統(tǒng)不能及時(shí)響應(yīng)，這種滯后現(xiàn)象一般有1～3 s或更長(zhǎng)[2]。因此在極端陣風(fēng)情況下容易對(duì)風(fēng)電機(jī)組的塔基、葉輪以及齒輪箱等部件造成沖擊，超出機(jī)組設(shè)計(jì)載荷，影響機(jī)組的安全運(yùn)行[3]。

目前，關(guān)于陣風(fēng)控制方法的研究比較有限，荷蘭能源研究中心提出一種提前探測(cè)陣風(fēng)以使槳距系統(tǒng)及時(shí)發(fā)生動(dòng)作的控制方法，該方法依賴于風(fēng)速測(cè)量設(shè)備的精度，關(guān)于陣風(fēng)的檢測(cè)有文獻(xiàn)表明，通過(guò)雷達(dá)測(cè)風(fēng)裝置，可以有效預(yù)測(cè)陣風(fēng)[4]，但目前在國(guó)內(nèi)出于成本的考慮，大多數(shù)廠家采用機(jī)械式或者超聲波式風(fēng)速風(fēng)向儀進(jìn)行測(cè)風(fēng)，風(fēng)速測(cè)量精度不高，并且由于各個(gè)廠家風(fēng)速風(fēng)向儀基本都安裝在機(jī)艙尾部，由于受到風(fēng)輪尾流影響導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)到陣風(fēng)。

基于以上技術(shù)背景，在傳統(tǒng)變槳控制的基礎(chǔ)上提出一種可以有效提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和降低機(jī)組載荷的陣風(fēng)檢測(cè)和變槳控制方法，并通過(guò)GH Bladed軟件對(duì)該方法的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)模型分析

1.1 氣動(dòng)模型特性分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪的氣動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程可以由以下2個(gè)非線性方程表示：

(1)

(2)

(3)

(4)

由式(3)和式(4)可知，風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和槳矩角的變化會(huì)影響風(fēng)輪的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和推力。由于不同葉片的氣動(dòng)特性不同，這種影響也有差別。在額定風(fēng)速附近，推力和扭矩對(duì)風(fēng)速變化的敏感度不同，故在額定風(fēng)速附近的湍流風(fēng)和極限陣風(fēng)將導(dǎo)致葉片產(chǎn)生較大的變形，對(duì)機(jī)組產(chǎn)生較大的沖擊。為了有效減小陣風(fēng)對(duì)機(jī)組的沖擊，在控制策略中可引入陣風(fēng)變槳控制，當(dāng)檢測(cè)到陣風(fēng)時(shí)可以進(jìn)行快速收槳，減小機(jī)組所受的推力和扭矩，防止過(guò)速并降低機(jī)組載荷。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)鏈模型分析

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的建模，采用現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)空間法，傳動(dòng)鏈的線性系統(tǒng)建模采用3個(gè)狀態(tài)變量，分別為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)鏈扭轉(zhuǎn)彈性力。傳動(dòng)鏈選取3個(gè)狀態(tài)進(jìn)行建模，是因?yàn)檫@個(gè)模型既可控又可觀(最小系統(tǒng))[5]。根據(jù)傳動(dòng)鏈等效模型

(5)

1.3 變速變槳風(fēng)機(jī)控制策略

傳統(tǒng)的變速變槳風(fēng)機(jī)的控制器如圖1所示，主要包含2個(gè)部分：扭矩控制和槳矩控制。風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時(shí)，控制器的轉(zhuǎn)矩控制使風(fēng)力發(fā)電機(jī)盡可能多地捕獲風(fēng)能；風(fēng)速在額定風(fēng)速以上時(shí)，通過(guò)槳距控制使發(fā)電機(jī)輸出的功率維持在額定功率附近。但是在額定風(fēng)速附近時(shí)，若風(fēng)速波動(dòng)較大，將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩控制器和槳矩控制器耦合在一起，使機(jī)組功率出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。若在額定風(fēng)速附近出現(xiàn)陣風(fēng)，風(fēng)速?gòu)念~定風(fēng)速以下迅速升至額定風(fēng)速以上時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制器達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩后槳矩控制器才開始工作，且變槳系統(tǒng)動(dòng)作一般都有一定的延時(shí)，就可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)速、過(guò)功率，使機(jī)組出現(xiàn)極限載荷的情況[6]。因此可在傳統(tǒng)的槳矩控制算法的基礎(chǔ)上，提出一種優(yōu)化的陣風(fēng)變槳控制方法，該方法既可以有效地使轉(zhuǎn)矩控制和槳矩控制器解耦，還可以大大減小機(jī)組在瞬態(tài)的風(fēng)速變化過(guò)程中的極限載荷。

圖1 變速變槳風(fēng)機(jī)控制器

2 陣風(fēng)變槳控制方法

2.1 陣風(fēng)變槳控制邏輯設(shè)計(jì)

優(yōu)化后的陣風(fēng)變槳控制方法，主要包含2個(gè)方面：陣風(fēng)的檢測(cè)和變槳控制器的優(yōu)化。陣風(fēng)的檢測(cè)主要考慮風(fēng)輪轉(zhuǎn)速及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的加速度，當(dāng)其超過(guò)一定限值時(shí)，即可認(rèn)為陣風(fēng)來(lái)臨。變槳控制器的優(yōu)化主要是動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)PID的增益和根據(jù)風(fēng)輪加速度調(diào)節(jié)變槳速度2種方式。當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超過(guò)一定限值時(shí)，則機(jī)組存在過(guò)速風(fēng)險(xiǎn)，需要調(diào)整變槳控制以加快槳矩控制的響應(yīng)速度。若此時(shí)風(fēng)輪加速度不斷增加，超過(guò)一定限值，考慮到變槳PID控制有一定的滯后性，可直接根據(jù)加速度計(jì)算變槳速度，快速變槳。具體控制流程如圖2所示。

圖2 陣風(fēng)變槳控制邏輯流程

2.2 變槳增益調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

根據(jù)葉片的氣動(dòng)特性，在不同的槳矩角時(shí)扭矩的變化靈敏度不同，因此在變槳PID設(shè)計(jì)時(shí)通常采用變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)方式，以增強(qiáng)變槳控制的穩(wěn)定性，如圖3所示。

圖3 變槳增益調(diào)節(jié)

結(jié)合圖3中的增益補(bǔ)償，需在原有增益調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，疊加一個(gè)動(dòng)態(tài)增益。動(dòng)態(tài)增益的大小需考慮風(fēng)輪過(guò)速比率及槳矩角，且增益隨槳矩角的增加逐漸減小至0，動(dòng)態(tài)增益的計(jì)算方式為

(6)

Kfa為動(dòng)態(tài)增益系數(shù)；ωr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；ωth為過(guò)速閾值。Kfa與槳矩角的關(guān)系如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)增益系數(shù)

2.3 陣風(fēng)變槳速度函數(shù)設(shè)計(jì)

一般情況下，變槳速度(或角度)是根據(jù)槳矩控制器PID輸出，但是在極限陣風(fēng)情況下，由于PID響應(yīng)比較滯后，導(dǎo)致風(fēng)輪受力過(guò)大，極限載荷增大。為保證變槳能快速響應(yīng)，在陣風(fēng)時(shí)根據(jù)風(fēng)輪加速度直接計(jì)算變槳速度。變槳速度函數(shù)為

(7)

Kac1，Kac2，Kac3為加速度轉(zhuǎn)換系數(shù)；ωracc為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速加速度。加速度轉(zhuǎn)換系數(shù)需根據(jù)機(jī)組在湍流工況下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行多次迭代確定。

3 陣風(fēng)控制建模與仿真結(jié)果分析

采用國(guó)際權(quán)威風(fēng)力發(fā)電機(jī)GH Bladed 仿真軟件對(duì)陣風(fēng)控制策略進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究。風(fēng)機(jī)模型為某2.2 MW機(jī)型，其風(fēng)輪直徑為116 m，額定風(fēng)速為9 m/s，額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。根據(jù)GL2010風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)范，建立DLC1.3和DLC1.5工況的陣風(fēng)模型(風(fēng)速分別為9 m/s和11 m/s)和DLC1.1工況湍流風(fēng)模型(風(fēng)速為18 m/s)[7]，在相同的風(fēng)況下，比較陣風(fēng)控制策略實(shí)施后的控制效果，主要從轉(zhuǎn)速抑制、機(jī)艙振動(dòng)、極限載荷3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)如圖5所示仿真結(jié)果，當(dāng)風(fēng)速為9 m/s時(shí)，與傳統(tǒng)的控制策略相比，陣風(fēng)控制策略可以有效降低機(jī)組轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，擬制機(jī)組轉(zhuǎn)速的增加幅度，從而減小機(jī)組的載荷；當(dāng)風(fēng)速為11 m/s時(shí)，由1.1節(jié)可知，在額定風(fēng)速以上時(shí)，槳矩角的變化對(duì)機(jī)組扭矩變化影響增加，在陣風(fēng)來(lái)臨時(shí)，需要對(duì)變槳增益進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，以加快變槳PID的響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)快速收槳，防止機(jī)組出現(xiàn)過(guò)速。如圖6所示，在沒(méi)有陣風(fēng)控制策略的情況下，機(jī)組已觸發(fā)過(guò)速故障停機(jī)，而啟用陣風(fēng)控制策略后，機(jī)組轉(zhuǎn)速則可以控制在合理范圍內(nèi)，不會(huì)觸發(fā)過(guò)速故障停機(jī)。如圖7所示，在大湍流風(fēng)工況下，陣風(fēng)控制可以有效抑制轉(zhuǎn)速波動(dòng)，確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 風(fēng)速為9 m/s極端陣風(fēng)仿真

圖6 風(fēng)速為11 m/s極端陣風(fēng)仿真

圖7 風(fēng)速為18 m/s正常湍流風(fēng)仿真

在陣風(fēng)控制策略中，由于變槳系統(tǒng)提前進(jìn)行變槳，因此可以避免傳統(tǒng)控制策略中由于變槳?jiǎng)幼鳒蠖鴮?dǎo)致的變槳系統(tǒng)頻繁動(dòng)作，從而降低機(jī)組前后振動(dòng)。圖8中列出了機(jī)組振動(dòng)影響最大的DLC1.5(9 m/s)工況下機(jī)組的振動(dòng)仿真情況，由圖8可以看出，陣風(fēng)控制策略開啟后，機(jī)艙前后振動(dòng)加速度明顯降低，可有效實(shí)現(xiàn)振動(dòng)擬制。

圖8 陣風(fēng)控制策略的振動(dòng)抑制效果

根據(jù)載荷計(jì)算的結(jié)果，通常情況下，機(jī)組的極限載荷出現(xiàn)在DLC1.3和DLC1.5工況，由于陣風(fēng)控制策略可以使變槳系統(tǒng)快速響應(yīng)，從而減小陣風(fēng)時(shí)機(jī)組的推力，因此陣風(fēng)控制可以在一定程度上降低機(jī)組關(guān)鍵部件的極限載荷，如表1所示。

表1 陣風(fēng)控制開啟前后極限載荷對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Bladed軟件仿真，對(duì)陣風(fēng)控制策略的實(shí)施對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、振動(dòng)及載荷的影響進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：

a.陣風(fēng)變槳控制策略能夠有效抑制極端陣風(fēng)工況下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超速和振動(dòng)過(guò)大，從而使機(jī)組運(yùn)行在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，不停機(jī)，不脫網(wǎng)。

b.陣風(fēng)變槳控制策略可有效降低機(jī)組各關(guān)鍵部件的極限載荷，降低機(jī)組設(shè)計(jì)成本。

文中陣風(fēng)變槳控制策略應(yīng)用于分散式復(fù)雜地區(qū)山地風(fēng)電場(chǎng)后，解決了機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的過(guò)速故障和振動(dòng)故障頻繁問(wèn)題，在復(fù)雜風(fēng)況下的運(yùn)行穩(wěn)定性和適應(yīng)性得到提高。