大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)研究

張美倫，朱明澤，張 瑾，趙劍鋒，張 睿

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030; 2.哈爾濱電氣國際工程有限責(zé)任公司，哈爾濱 150028;3.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱150090; 4.大連土城子風(fēng)電有限公司,遼寧 瓦房店116327；)

0 引 言

隨著風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量與風(fēng)電規(guī)模的不斷提高，風(fēng)電滲透率逐漸增高，現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組的運行控制不但注意到風(fēng)電場正常狀態(tài)下的遙測、監(jiān)控，而且開始轉(zhuǎn)向風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)一體化的運行控制研究[1]，如風(fēng)電機(jī)組有功功率控制、無功功率控制、低電壓穿越以及對稱和不對稱故障下的安全運行(故障穿越)問題等。因此，根據(jù)調(diào)度指令進(jìn)行單機(jī)有功、無功調(diào)節(jié)，實現(xiàn)大型風(fēng)電機(jī)組的自適應(yīng)調(diào)節(jié)與并網(wǎng)，從電網(wǎng)層面靈活響應(yīng)對風(fēng)電機(jī)群有功、無功控制和優(yōu)化調(diào)度的要求具有重大意義。

目前，國內(nèi)對大型風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的研究只停留在傳統(tǒng)控制技術(shù)上面，這種方法采用了線性控制方法，是以線性模型為基礎(chǔ)，但是對于急劇變化的風(fēng)速調(diào)整具有相對滯后的缺點[2]。此外，采用基于某一工作點的線性模型方法只能夠保證在線性化工作點附近的控制效果，因此并不適用于運行范圍廣、不確定性強(qiáng)、隨機(jī)擾動大、具有嚴(yán)重非線性特征的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[3]。

針對上述問題，提出將現(xiàn)代控制方法(包括人工智能控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、切換控制等)引入大型風(fēng)電機(jī)組的控制中，對大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動態(tài)進(jìn)行建模，研究風(fēng)電系統(tǒng)的控制方式和設(shè)計有效的控制律，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對參數(shù)攝動和負(fù)荷擾動具有強(qiáng)魯棒性，保證風(fēng)電機(jī)組安全高效運行。

1 系統(tǒng)關(guān)鍵控制技術(shù)研究

采用快速最佳葉尖速比控制實現(xiàn)柔性變槳，在最佳葉尖速比控制的基礎(chǔ)上，引入自適應(yīng)分段控制技術(shù)，設(shè)計大型風(fēng)電機(jī)組的智能化柔性變槳算法和柔性偏航算法，實現(xiàn)大型風(fēng)電機(jī)組有功、無功的分段線性控制。具體通過以下各個小節(jié)描述的優(yōu)化控制技術(shù)，保證了系統(tǒng)實現(xiàn)柔性變槳、變速與偏航，以及風(fēng)電機(jī)組的整體智能化控制，降低對整機(jī)各個部分的沖擊，實現(xiàn)低噪聲運行。

1.1 最佳葉尖速比控制

葉尖速比是葉片葉尖線速度與風(fēng)速的比值[4]，最佳葉尖速比法是在不同風(fēng)速下，通過機(jī)械側(cè)轉(zhuǎn)換器控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)子速度，使得風(fēng)力渦輪機(jī)可以在最佳葉尖速比的狀態(tài)下運行，由此獲得風(fēng)電功率最大值[5]。最佳葉尖速比控制方法的原理如圖1所示。根據(jù)當(dāng)前測得的風(fēng)速v，經(jīng)查表可知該風(fēng)速下的最佳葉尖速比，并將該值作為參考值λref。測量當(dāng)前葉片轉(zhuǎn)速ω，通過公式λ=ωR/v計算獲得葉尖速比，與參考值進(jìn)行比較后，進(jìn)行PI調(diào)整，將調(diào)節(jié)器輸出信號發(fā)送至風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，由此可實現(xiàn)風(fēng)機(jī)最佳葉尖速比控制。

圖1 葉尖速比控制圖Fig.1 Diagram of tip speed ratio control

1.2 完全獨立變槳控制

完全獨立變槳控制的目標(biāo)是實現(xiàn)全掃風(fēng)面變槳，減少葉片應(yīng)力周期性沖擊，穩(wěn)定整機(jī)載荷和延長葉片壽命。在實現(xiàn)完全獨立變槳控制的基礎(chǔ)上，才能夠?qū)崿F(xiàn)單個葉片的自適應(yīng)控制[6]。

獨立變槳距控制系統(tǒng)如圖2所示，獨立變槳控制器的功能主要是控制系統(tǒng)的位置、轉(zhuǎn)矩、速度等參數(shù)，獨立變槳伺服驅(qū)動器具有定位和同步調(diào)整的功能，槳距角位置經(jīng)內(nèi)齒傳感器檢測，與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行同步，槳距角可以用作反饋狀態(tài)變量，以實現(xiàn)伺服電機(jī)的同步控制，由此達(dá)到獨立變槳控制。

圖2 獨立變槳距控制系統(tǒng)圖Fig.2 Diagram of independent pitch control system

1.3 葉片自適應(yīng)控制

大型風(fēng)電機(jī)組是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，難以獲得系統(tǒng)的所有控制狀態(tài)，但控制系統(tǒng)的輸入和輸出量是確定的，因此可根據(jù)被控對象的狀態(tài)空間建立模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)[6]。

建立3個葉片運行一周的狀態(tài)空間模型，將3個葉片的控制目標(biāo)設(shè)計為同一個參考模型，利用李雅普諾夫函數(shù)直接法設(shè)計3個葉片的模型參考自適應(yīng)控制率，使得3個葉片在運行一周的過程中對主軸的應(yīng)力盡量保持一致，變槳系統(tǒng)對于塔筒效應(yīng)和葉片制造過程中的離散性誤差有著明顯的適應(yīng)性，控制性能良好，能夠有效保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

完全獨立變槳控制與葉片的自適應(yīng)控制相結(jié)合，實現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的自適應(yīng)分段控制，在低風(fēng)速(啟動風(fēng)速至5 m風(fēng)速)、中段風(fēng)速(5 m至額定風(fēng)速)、高風(fēng)速(額定風(fēng)速以上)時，分別設(shè)置了3個不同的參考模型，使得系統(tǒng)在這3段風(fēng)速之下可以很好地實現(xiàn)最大功率跟蹤控制的同時，3個葉片保持平衡，對主軸沖擊最小，具體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.4 柔性偏航

偏航控制的主要功能之一是能夠使風(fēng)輪跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向，通過控制風(fēng)輪的迎風(fēng)面與風(fēng)向始終保持垂直以實現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲[7]。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化時，由風(fēng)速風(fēng)向儀測得風(fēng)向變化，由偏航控制器控制偏航驅(qū)動裝置中的3～5臺偏航電機(jī)旋轉(zhuǎn)，偏航電機(jī)通過減速齒輪箱帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，使機(jī)艙往風(fēng)速變化的方向同步運轉(zhuǎn)。

原有的偏航電機(jī)(3～5臺)在運行過程中出現(xiàn)不能完全同步現(xiàn)象，即偏航過程中某個偏航電機(jī)驅(qū)動的小齒輪與另一個偏航電機(jī)驅(qū)動的小齒輪無法完全同步帶動大齒圈，導(dǎo)致互相拉扯發(fā)出低頻噪音的現(xiàn)象。為此，采用主從力矩變頻驅(qū)動偏航策略，使得多個偏航電機(jī)能夠完全同步運行。采用主從力矩變頻驅(qū)動的柔性偏航技術(shù)，除了降低噪音外，還能夠延長齒圈和電機(jī)的使用壽命。

圖3 獨立變槳線性時變參數(shù)系統(tǒng)自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Adaptive control structure diagram of independent pitch linear time-varying parameter system

1.5 低電壓穿越

當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時，電網(wǎng)側(cè)變流器會出現(xiàn)過流現(xiàn)象，如果采取限制電流的措施，直流母線就會產(chǎn)生過電壓；如果沒有采取有效的保護(hù)措施，將無法保證風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運行[8]。因此，需根據(jù)實際的風(fēng)電狀態(tài)、持續(xù)時間、電壓跌落等情況，確定機(jī)組采用的保護(hù)策略，以滿足風(fēng)電并網(wǎng)時的低壓穿越要求。

在風(fēng)速低、系統(tǒng)壓降小的情況下，適當(dāng)提高系統(tǒng)側(cè)變流器電源裝置的過電流水平和直流側(cè)電容器的抗電壓水平，可以實現(xiàn)低電壓穿越。但如果風(fēng)機(jī)在額定狀態(tài)下運行時，電網(wǎng)電壓大幅下降，且持續(xù)時間較長， 變流器的成本會大幅增加， 因此這種保護(hù)措施并不適用。

在風(fēng)速高且電網(wǎng)電壓大幅下降的情況下，在發(fā)電機(jī)直流側(cè)和輸出端增設(shè)Crowbar電路或輔助變流裝置，主要作用是限制故障時轉(zhuǎn)子側(cè)的過電流和過電壓，可以消耗、轉(zhuǎn)移或存儲過剩的能量，使得風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)發(fā)生故障時也能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓穿越，過程如圖4所示。

在圖4中保護(hù)點1位置增加Crowbar電路，在電網(wǎng)電壓跌落的情況下，該電路能夠平衡輸入與輸出間的能量差，避免了變流器過電流和直流母線過電壓對風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的沖擊。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時，則迅速切斷Crowbar電路，使風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常發(fā)電狀態(tài)運轉(zhuǎn)。

圖4 電機(jī)直流側(cè)和輸出端增設(shè)Crowbar電路Fig.4 Crowbar circuit is added to the motor output terminal and DC terminal

2 控制策略研究

結(jié)合傳統(tǒng)矢量控制的基本思想，引入自抗擾控制(adaptive disturbance rejection control,ADRC)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計一種抗干擾能力較強(qiáng)控制算法，控制器內(nèi)環(huán)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子d、q軸電流控制，控制器外環(huán)基于自抗擾控制的有功、無功控制，目標(biāo)是使得控制系統(tǒng)對內(nèi)、外擾動具有較強(qiáng)的魯棒性。根據(jù)傳統(tǒng)控制模式的不足，結(jié)合自抗擾控制的優(yōu)點和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電流內(nèi)環(huán)控制和基于自抗擾控制的功率外環(huán)控制。系統(tǒng)整體的控制拓?fù)鋱D如圖5所示。

圖5 基于自抗擾神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)原理圖Fig.5 Schematic diagram of control technology based on adaptive disturbance rejection and neural network

2.1 自抗擾控制系統(tǒng)設(shè)計

自抗擾控制系統(tǒng)的設(shè)計包括三個部分：跟蹤微分器TD(tracking-differentiator)、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器ESO(extended state observer)和非線性反饋控制律NLSEF(nonlinear states error feedback)。各個部分相關(guān)的參數(shù)采用“分離性原理”獨自整定。

1)跟蹤微分器TD設(shè)計

對有功功率和無功功率的跟蹤采用一階微分器。微分器的模型如下：

(1)

(2)

2)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器ESO設(shè)計

以檢測的雙饋電機(jī)定子側(cè)有功功率Ps和無功功率Qs為量測輸入分別構(gòu)造擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，如式(3)所示。

(3)

式中：x代表d或q；y表示P或Q(當(dāng)x為d時，y為Q；當(dāng)x為q時，y為P)；Z1x為定子有功功率和無功功率的實際跟蹤值；Z2x為擾動量的估計值；仿真時具體的相關(guān)參數(shù)取值β1x為300，β2x為400，α1x為0.8，δ為0.005，bx為500。

3)非線性反饋控制律NLSEF的設(shè)計

(4)

式中：βq的值為400；βd的值為350；αq和αd都為0.7；δ為0.005。

2.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器通過在線調(diào)節(jié)權(quán)值w11、w12、w21、w22使有功功率和無功功率的目標(biāo)函數(shù)逐漸達(dá)到最小值，從而實現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率的獨立跟蹤控制，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)函數(shù)為

(5)

根據(jù)梯度法調(diào)節(jié)權(quán)值，得到權(quán)值變換量，具體如下：

(6)

式中：η為學(xué)習(xí)速率，取值為0.1。由式(6)可以對權(quán)值不斷更新，從而搜尋到一組最優(yōu)權(quán)值使目標(biāo)函數(shù)為最小值。

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗證ADRC-BP控制技術(shù)的性能，在Matlab 2012b/Simulink平臺上對雙饋發(fā)電機(jī)分別采用空間矢量控制方法和基于ADRC-BP控制方法進(jìn)行仿真。仿真所用雙饋電機(jī)的主要參數(shù)為：定子額定電壓690 V，額定功率2.0 MW，定子電阻為3.74 Ω，定子漏感為0.31 H，轉(zhuǎn)子電阻為3.2 Ω，轉(zhuǎn)子漏感0.31 H，定轉(zhuǎn)子互感1.2 H，極對數(shù)為2。系統(tǒng)額定風(fēng)速為11 m/s，輸入風(fēng)機(jī)的風(fēng)速為9 m/s(此時對應(yīng)的視在功率為1 MW)。

仿真驗證包括三個部分：當(dāng)電網(wǎng)對稱，給定功率發(fā)生變化時，比較兩種控制算法的性能；當(dāng)雙饋電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化，給定功率不變，比較兩種控制算法的性能；當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動，給定功率不變時，比較兩種控制算法的性能。

1)當(dāng)有功功率和無功功率參考值變化時

保持輸入風(fēng)速不變，并設(shè)定有功功率參考值為600 kW，無功功率的參考值為800 kvar；在仿真時間為0.5 s時，將有功功率和無功功率的值分別設(shè)定為800 kW、600 kvar，采用空間矢量控制算法和ADRC-BP算法得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

2)當(dāng)電機(jī)參數(shù)發(fā)生改變時

保持輸入風(fēng)速不變，并設(shè)定有功功率參考值為800 kW，無功功率的參考值為600 kvar；在仿真時間為0.5 s時，雙饋電機(jī)的定子側(cè)電阻變?yōu)樵瓉淼?.5倍，采用空間矢量控制算法和ADRC-BP算法得到的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 功率參考值變化時電氣量仿真波形對比圖Fig.6 Comparison diagram of electrical quantity simulation waveform when power reference value change

圖7 電機(jī)參數(shù)變化時電氣量仿真波形對比圖Fig.7 Comparison diagram of electrical quantity simulation waveform when motor parameters change

3)當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時

保持輸入風(fēng)速為9 m/s不變，并設(shè)定有功功率參考值為800 kW，無功功率的參考值為600 kvar；在仿真時間為0.5 s時，電網(wǎng)電壓變?yōu)樵瓉淼?.9倍，且在1s時變?yōu)樵瓉碇?，采用空間矢量控制算法和ADRC-BP算法得到的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 電網(wǎng)電壓波動時電氣量仿真波形對比圖Fig.8 Comparison diagram of electrical quantity simulation waveform when grid voltage fluctuates

如圖6～8所示，當(dāng)參考功率變化時，ADRC-BP算法比矢量控制算法具有更快的跟蹤速度，且波動量小；當(dāng)電機(jī)參數(shù)改變時，ADRC-BP算法經(jīng)過短時間平緩地過渡到穩(wěn)態(tài)，且穩(wěn)態(tài)無誤差，而矢量控制的波動性比較大，且達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時間較長；當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時，ADRC-BP算法能夠經(jīng)過調(diào)整最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)，而矢量控制最終導(dǎo)致發(fā)散。由此可知，當(dāng)電網(wǎng)處于不同運行狀態(tài)時，采用ADRC-BP控制方法提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定精度，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能和較強(qiáng)的魯棒性。

4 結(jié) 語

該文結(jié)合風(fēng)電機(jī)群能量管理與優(yōu)化調(diào)度對大型風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)需求，在模型仿真和控制策略驗證的基礎(chǔ)上，引入自適應(yīng)分段控制技術(shù)，并設(shè)計了自抗擾控制系統(tǒng)，設(shè)計了智能化柔性變槳算法和柔性偏航算法，實現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組有功無功的分段線性控制，并具備低電壓穿越能力，降低機(jī)組運行噪聲，延長機(jī)組壽命，提升了大型風(fēng)電機(jī)組的自適應(yīng)控制能力。