大型風力發(fā)電機組先進控制技術(shù)探討

彭先偉 蘭杰 張瑞銀 姚森

摘要：中國風力發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅猛，目前陸上風力發(fā)電機組功率達5MW，海上機組已突破10MW，隨著大功率、長葉片技術(shù)快速發(fā)展，對風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)也帶來新的要求和挑戰(zhàn)，例如提升發(fā)電量，如何進一步降低載荷等，本文探討了目前行業(yè)內(nèi)主流的一些先進的控制技術(shù)。

關(guān)鍵字：風力發(fā)電、控制系統(tǒng)、先進控制技術(shù)

1、風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)概述

風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)主要監(jiān)測風機系統(tǒng)的各種狀態(tài)（風況，溫度、電網(wǎng)狀態(tài)、振動、轉(zhuǎn)速、功率），完成整機的綜合控制和低壓配電，完成數(shù)據(jù)的采集、輸入、輸出信號的處理，邏輯功能的判定，與變流器及變槳控制系統(tǒng)通訊、接收變流器及變槳控制系統(tǒng)的信號，與中控室監(jiān)控系統(tǒng)通訊、傳遞實時信息。

控制系統(tǒng)通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及槳矩角，使風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)及額定功率狀態(tài)，保證風機安全可靠經(jīng)濟的運行。

控制系統(tǒng)控制風電機組，實現(xiàn)如下四方面功能：

（1）機組自動啟?？刂?/p>

當風速檢測系統(tǒng)在一段持續(xù)時間內(nèi)測得風速平均值達到切入風速，并且系統(tǒng)自檢無故障時，控制系統(tǒng)發(fā)出釋放制動器命令，機組由待機狀態(tài)進入低風速啟動狀態(tài)。如檢測的狀態(tài)不正常，則根據(jù)級別進入其它各類停機程序。

（2）變槳、轉(zhuǎn)矩控制

當?shù)陀陬~定功率時，通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)在小于額定功率情況下的最佳葉尖速比運行。當機組功率達到額定功率時，通過變槳控制來限制機組功率在額定功率范圍內(nèi)。

（3）停機保護

控制系統(tǒng)根據(jù)實時運行的診斷數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)置的故障級別，將風電機組安全停止

（4）監(jiān)測控制

控制系統(tǒng)實時監(jiān)測機組的運行狀態(tài)和運行參數(shù)，控制機組的各部件運行，記錄運行數(shù)據(jù)，包括：

a. 風電機組狀態(tài)、風速、風向、槳距角、風輪和發(fā)電機轉(zhuǎn)速、電氣參數(shù)（頻率、電壓、電流、功率、功率因數(shù)、發(fā)電量等）和溫度、液壓壓力等，實時顯示并上傳至監(jiān)控系統(tǒng)保存數(shù)據(jù)。

b. 狀態(tài)監(jiān)測包括振動、扭纜角度、電網(wǎng)電壓/頻率、制動閘塊的磨損、變槳系統(tǒng)、變流器和偏航系統(tǒng)的運作情況以及機械零部件的故障和傳感器的狀態(tài)。

2、風力發(fā)電機組基本控制原理

風電機組變速運行，可分幾個階段，在極低的風速下，動態(tài)地調(diào)整發(fā)電機扭矩給定值使發(fā)電機轉(zhuǎn)速維持在最小轉(zhuǎn)速允許值。在低風速時，通過改變發(fā)電機給定轉(zhuǎn)矩，控制葉輪轉(zhuǎn)速在限定的范圍內(nèi)運行，實現(xiàn)最大風能捕獲;在中等風速下，當達到額定葉輪轉(zhuǎn)速時，動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)矩給定，維持葉輪轉(zhuǎn)速在額定值;在額定風速以上，轉(zhuǎn)矩給定達到額定值，利用變槳系統(tǒng)，維持額定功率輸出。

風機控制器的算法控制主要指轉(zhuǎn)矩控制和變槳控制兩部分。轉(zhuǎn)矩控制器用于風能最大獲取，變槳控制器用于額定風速以上時進行功率限制，保證風機正常運行。

機組在最小發(fā)電機轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速之間運行時，需要跟蹤最佳Cp曲線， Cp曲線如圖2所示：

如果不考慮傳動鏈的能量損耗，可以通過設(shè)置發(fā)電機扭矩給定值 與發(fā)電機轉(zhuǎn)速 的平方成正比，使機組運行在最佳Cp曲線上。公式如下：

——空氣密度

——風輪半徑

——最優(yōu)葉尖速比

——最優(yōu)葉尖速比 對應(yīng)的最大風能利用系數(shù)

——齒輪箱變速比

由于風輪具有較大的慣性，風輪轉(zhuǎn)速不能跟隨風速的快速變化而變化，所以要使機組時刻運行在最佳Cp上并不現(xiàn)實。

發(fā)電機的額定扭矩是通過傳動鏈模型中定義的電氣損耗來計算的，描述如下：

3、 大型風電機組先進性控制技術(shù)探討

1） 塔架振動控制

塔架前后振動控制用于增加塔架前后振動模態(tài)阻尼，減小塔架前后振動，從而減小塔架載荷。塔架前后振動控制的實現(xiàn)過程包括：塔架前后振動加速度測量值通過濾波后，比例控制器后得到輸出。輸出值為變槳補償量，施加到變槳控制的槳距角給定值。

塔架左右振動控制用于增加塔架左右振動模態(tài)阻尼，減小塔架左右振動，從而減小塔架載荷。塔架左右振動控制的實現(xiàn)過程包括：塔架左右振動加速度測量值經(jīng)過積分，比例控制器后得到輸出，輸出的量為補償量，施加到扭矩控制的輸出值。

2） 轉(zhuǎn)矩控制與變槳控制的解耦

在大于和接近額定風速時，轉(zhuǎn)矩和變槳控制器會同時參與，使轉(zhuǎn)速達到同樣的設(shè)定值，所以解耦這兩個控制環(huán)節(jié)是非常重要的。所謂解耦也就是說，在低于額定轉(zhuǎn)速時，保證只有轉(zhuǎn)矩控制起作用，此時槳距角為最佳槳距角的限定值;在大于額定轉(zhuǎn)速時，只有變槳控制器起作用，而轉(zhuǎn)矩設(shè)定在限值上以保證額定功率輸出。

轉(zhuǎn)矩控制和變槳控制的解耦有多種實現(xiàn)方法。本控制技術(shù)中采用的方法為，分別對轉(zhuǎn)矩和變槳控制器的輸入偏差引入偏置值：通過偏置值的作用，轉(zhuǎn)矩控制輸出未達到額定轉(zhuǎn)矩時，變槳控制輸出被限制在最小角度值;而當變槳控制輸出大于運行角度最小值時，轉(zhuǎn)矩控制器輸出一直被限制在最大轉(zhuǎn)矩值。

3）軟切出控制（暴風控制）

目前一般機型設(shè)計切出風速為20m/s左右，根據(jù)項目實際風資源情況，可對風場超出設(shè)計切出風速的風頻進行統(tǒng)計，若評估該風速段的發(fā)電收益可觀（20～25m/s 風速段），那么可進行軟切出控制，即將切出風速提升為25m/s或30m/s。為保證機組的載荷在設(shè)計包絡(luò)范圍內(nèi)，在超出設(shè)計切出風速的風速段采用降轉(zhuǎn)速和功率運行。

如下圖所示，某風電場應(yīng)用軟切出策略的實際功率散點圖，通過軟切出的功率曲線和現(xiàn)場可研性的風頻分布。若20～25m/s 風速資源較好，評估年發(fā)電量約能提升1%。

4） 激光雷達前饋控制

通過激光測風雷達，提前檢測風輪前方來流風速，提前預(yù)知風況信息，當發(fā)生陣風時，提前收槳，避免極限載荷和極端故障停機。

可以從圖4中看出，在10s內(nèi)風速快速增加，通過快速收槳，保證機組平穩(wěn)運行。

圖5說明，加入激光雷達前饋控制后，當發(fā)生極限陣風時，轉(zhuǎn)速、槳角、轉(zhuǎn)矩控制更加平穩(wěn)。

5） 偏航誤差控制

由于風速風向測量設(shè)備實際運行過程中，存在測量誤差，某些風力發(fā)電機組長期存在一定的偏航誤差，影響機組發(fā)電量。激光雷達測風設(shè)備可以定期校正傳統(tǒng)風向標的測量誤差。

將一定時期的激光雷達測風數(shù)據(jù)記錄在儲存設(shè)備中，調(diào)取數(shù)據(jù)統(tǒng)計靜態(tài)偏差值，自動校正傳統(tǒng)風向標的風向偏差。

定期通過激光雷達校正傳統(tǒng)風向標的偏差，從圖6可以看出傳統(tǒng)風向標存在5.146°的固定偏差，通過修正傳統(tǒng)風向標的偏移參數(shù)，可提高機組對風效率，從而提升風力發(fā)電機組的發(fā)電量。

4、 總結(jié)

大功率、長葉片仍然會是未來大型風力發(fā)電機組的主流發(fā)展方向，另外風電平價并網(wǎng)也是未來發(fā)展趨勢，通過先進控制技術(shù)來降低載荷、提升發(fā)電量、降低成本至關(guān)重要，是風電整機廠商核心競爭力;本文介紹了風電機組的控制基本原理，并對目前主流的關(guān)于降載荷、提升發(fā)電量先進性控制技術(shù)進行的簡單探討。

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作者介紹：

彭先偉（1984.12-）;男;湖北隨州;漢族;碩士研究生;工程師;風機發(fā)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計;東方電氣風電有限公司。