一種適用于風(fēng)力機(jī)組復(fù)雜陣風(fēng)工況的非線性控制策略

楊 翀，王瑞良，孫 勇，李 濤，徐伊麗

（1. 浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司， 杭州 310012；2. 浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310012）

0 引言

隨著世界各國(guó)對(duì)能源安全、生態(tài)環(huán)境、氣候變化等問題的日益重視，加快發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已成為國(guó)際社會(huì)推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展、應(yīng)對(duì)全球氣候變化的普遍共識(shí)和一致行動(dòng)[1]。2019年，中國(guó)新增風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量25.74 GW，其中陸上新增并網(wǎng)裝機(jī)容量23.76 GW，優(yōu)質(zhì)風(fēng)場(chǎng)基本已經(jīng)被開發(fā)完，風(fēng)電的開發(fā)轉(zhuǎn)向低風(fēng)速高湍流的風(fēng)資源區(qū)[2]，此類風(fēng)場(chǎng)大都是山地復(fù)雜地形，出現(xiàn)極端陣風(fēng)風(fēng)況較多，陣風(fēng)特點(diǎn)是風(fēng)速與風(fēng)向在短時(shí)間內(nèi)均發(fā)生較大變化。極端陣風(fēng)對(duì)機(jī)組的載荷與控制策略帶來很大的挑戰(zhàn)，短時(shí)間的大風(fēng)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組觸發(fā)超速保護(hù)動(dòng)作而停機(jī)，大大的提高了機(jī)組所受載荷。因此研究陣風(fēng)控制策略，抑制或者減少風(fēng)電機(jī)組超速脫網(wǎng)，對(duì)降低機(jī)組機(jī)械載荷、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性有重要的工程意義。

為了控制陣風(fēng)風(fēng)況對(duì)機(jī)組載荷的不利作用，行業(yè)學(xué)者們做了大量的研究。盧曉光等[3]基于激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)設(shè)計(jì)了變槳前饋陣風(fēng)控制算法，對(duì)陣風(fēng)附加載荷進(jìn)行了有效控制。婁堯林等[4]結(jié)合變速變槳控制算法基本結(jié)構(gòu)，通過增加轉(zhuǎn)速控制環(huán)以及非線性增益因子的策略，使得機(jī)組在陣風(fēng)工況下進(jìn)行快速變槳?jiǎng)幼?。Stoyan Kanev和Tim van Engelen[5]通過構(gòu)建非線性觀測(cè)器快線監(jiān)測(cè)面內(nèi)外彎矩來識(shí)別極端陣風(fēng)。E A Bossanyi等[6]提出借助機(jī)載式激光雷達(dá)，發(fā)現(xiàn)來流的陣風(fēng)，通過前饋控制實(shí)現(xiàn)降載。曹碧生等[7]通過優(yōu)化變槳PI和加入轉(zhuǎn)差系數(shù)，應(yīng)對(duì)大湍流的影響。Andrew Pace 等[8]設(shè)計(jì)了一種雷達(dá)輔助控制方式，在極限陣風(fēng)情況下，切換到雷達(dá)輔助控制模式降低過速概率。

本文對(duì)抑制陣風(fēng)工況機(jī)組過速停機(jī)問題開展研究，通過監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速變化特性，適當(dāng)增加槳距角的策略來解決，同時(shí)根據(jù)機(jī)組特性設(shè)置的觸發(fā)條件控制，能有效保證正常發(fā)電工況不會(huì)觸發(fā)該功能，不增加機(jī)組的疲勞載荷，并選用實(shí)際機(jī)組進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 控制策略

1.1 極端相干陣風(fēng)

陣風(fēng)在山地復(fù)雜地形容易出現(xiàn)，其特點(diǎn)是在短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速與風(fēng)向發(fā)生大幅變化。根據(jù)IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)載荷計(jì)算的定義，方向變化的極端相干陣風(fēng)ECD，方向變化的極端相干陣風(fēng)的幅值Vcg=15 m/s。

風(fēng)速變化上升時(shí)間為T=10 s，實(shí)時(shí)風(fēng)速：

風(fēng)速的上升與風(fēng)向從0到T的變化是同步進(jìn)行的，風(fēng)向變化量為：

則同步的實(shí)時(shí)風(fēng)向?yàn)椋?/p>

圖1 所示為陣風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向變化時(shí)程圖，可以看出在短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速與風(fēng)向都發(fā)生了驟變，這對(duì)風(fēng)機(jī)的載荷與控制會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

圖1 陣風(fēng)風(fēng)速風(fēng)向變化

1.2 超速機(jī)理

風(fēng)力機(jī)組的控制主要包括轉(zhuǎn)矩控制與變槳控制，風(fēng)機(jī)能夠在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行發(fā)電控制過程可以分為4個(gè)階段，如圖2所示。

圖2 變槳變速機(jī)組控制

（1）轉(zhuǎn)速恒定階段（BC）。發(fā)電機(jī)保持切入轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)矩的變化，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速會(huì)保持不變直到達(dá)到最優(yōu)葉尖速比。

（2）變轉(zhuǎn)速運(yùn)行階段（CD）。通過改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而保持機(jī)組在最優(yōu)葉尖速比下運(yùn)行。

（3）恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行階段（DE）。通過改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)被調(diào)節(jié)至額定轉(zhuǎn)速直到達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩和額定功率。

（4）恒功率運(yùn)行階段（EF）。機(jī)組已經(jīng)達(dá)到額定功率，通過變槳系統(tǒng)的氣動(dòng)調(diào)節(jié)來限制風(fēng)輪吸收功率。

機(jī)組運(yùn)行過程中遭遇陣風(fēng)，此時(shí)風(fēng)速急速上升，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速急劇上升，但機(jī)組還未達(dá)到額定功率，即在圖2轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系的BC段，此時(shí)變槳系統(tǒng)還未開始響應(yīng)，而當(dāng)機(jī)組達(dá)到額定功率時(shí)，由于變槳系統(tǒng)的滯后性以及此時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)很高，這時(shí)已經(jīng)不能有效地抑制發(fā)電機(jī)超速。一方面是由于風(fēng)輪慣性，另一方面由于槳葉回調(diào)速率較慢，使得機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速容易超1.1倍的保護(hù)限值，導(dǎo)致機(jī)組超速停機(jī)。對(duì)于超速執(zhí)行快速停機(jī)的情況，由于劇烈的停機(jī)導(dǎo)致的推力和風(fēng)輪不對(duì)稱載荷會(huì)變得非常高，對(duì)于部分DLC1.4 工況（陣風(fēng)工況）而言，停機(jī)與否可能引起極限載荷一個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。

表1 更新

2 非線性控制策略

針對(duì)DLC1.4 工況設(shè)置中存在的風(fēng)速和風(fēng)向驟變情況，采取非線性控制策略改善機(jī)組超速停機(jī)情況，下面稱為風(fēng)輪面動(dòng)態(tài)推力削減功能。該方法通過探測(cè)到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的急劇變化，采取在適當(dāng)時(shí)刻疊加非線性槳距角的策略，抑制機(jī)組陣風(fēng)工況的超速停機(jī)。在本非線性控制策略中，通過監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化特征值（轉(zhuǎn)速誤差乘以轉(zhuǎn)速誤差的變化率），即槳濾波后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速乘以其導(dǎo)數(shù)超過動(dòng)態(tài)推力削減轉(zhuǎn)速參考閾值時(shí)，且同時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩超過一定閾值時(shí)，在傳統(tǒng)PI 控制的基礎(chǔ)上額外疊加一個(gè)槳距角命令，快速削減風(fēng)輪面推力，避免關(guān)鍵部件在過速停機(jī)中出現(xiàn)極限載荷。

對(duì)于DLC1.2正常發(fā)電工況，由于引入了風(fēng)輪面動(dòng)態(tài)推力削減方法，如果風(fēng)輪面動(dòng)態(tài)推力削減閾值設(shè)計(jì)不合理容易造成正常發(fā)電工況也觸發(fā)該功能，導(dǎo)致槳距角發(fā)生間斷性的突變，造成機(jī)組疲勞載荷的增大，如圖3所示。

圖3 DLC1.2工況下風(fēng)輪面動(dòng)態(tài)推力削減觸發(fā)

對(duì)于動(dòng)態(tài)推力削減轉(zhuǎn)速參考閾值使用了一個(gè)非對(duì)稱滑動(dòng)濾波器用來快速跟隨增加的變槳?jiǎng)幼?，同時(shí)在槳距角快速下降時(shí)引入了衰減特性。這使得當(dāng)風(fēng)機(jī)經(jīng)歷極限陣風(fēng)時(shí)，非線性特征盡可能容易地被激活，且盡量避免風(fēng)機(jī)處于正常發(fā)電的情況下本特征被激活。

3 實(shí)例分析

采用風(fēng)力機(jī)組仿真如今Bladed 對(duì)該策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真模型為某4.8 MW 雙饋機(jī)組，風(fēng)輪直徑156 m，額定轉(zhuǎn)速為1750 r/min，根據(jù)IEC 規(guī)范工況設(shè)置，對(duì)DLC1.2 與DLC1.4正常發(fā)電與陣風(fēng)工況開展仿真驗(yàn)證，比較非線性控制策略應(yīng)用效果，從機(jī)組的槳距角、轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)以及極限載荷特性幾方面進(jìn)行對(duì)比研究。

3.1 載荷驗(yàn)證

圖4 所示為DLC1.4 某子工況的槳距角與轉(zhuǎn)速時(shí)序，可以看出采用非線性控制策略后陣風(fēng)工況機(jī)組避免了超速停機(jī)，在風(fēng)速快速上升的時(shí)候，檢測(cè)到轉(zhuǎn)速急速上升，變槳系統(tǒng)進(jìn)行了提前變槳。圖5所示為機(jī)組載荷響應(yīng)，機(jī)組的塔底彎矩下降了一個(gè)量級(jí)，驗(yàn)證了該非線性控制策略的有效性。

圖4 動(dòng)態(tài)推力削減功能過速抑制效果

圖5 動(dòng)態(tài)推力削減功能降載效果

3.2 觸發(fā)條件

為了保證在DLC1.2 工況不觸發(fā)風(fēng)輪面動(dòng)態(tài)推力削減功能，對(duì)動(dòng)態(tài)推力削減轉(zhuǎn)速參考閾值進(jìn)行規(guī)劃，圖6 所示為DLC1.2工況所有槳距角對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)推力削減轉(zhuǎn)速參考閾值的散點(diǎn)圖，在槳距角較小階段，初設(shè)的動(dòng)態(tài)推力削減轉(zhuǎn)速參考閾值偏低，可能會(huì)導(dǎo)致DLC1.2部分工況不必要的觸發(fā)風(fēng)輪面動(dòng)態(tài)推力削減功能，現(xiàn)在采取新的包絡(luò)動(dòng)態(tài)推力削減轉(zhuǎn)速參考閾值，提高在小槳距角階段的閾值，來實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪面動(dòng)態(tài)推力削減功能的合理觸發(fā)，如圖7所示。

圖6 優(yōu)化前的DLC1.2 工況的散點(diǎn)圖

圖7 優(yōu)化后的DLC1.2 工況的散點(diǎn)圖

通過提升小槳距角段的閾值，在更新動(dòng)態(tài)推力削減轉(zhuǎn)速參考閾值后，避免了DLC1.2 工況中的動(dòng)態(tài)推力削減功能觸發(fā)。從圖8～9 中可見，在避免不必要的EEdot 觸發(fā)之后，對(duì)于DLC1.2-gb3 工況中塔底My 載荷的疲勞和極限值都獲得了一定優(yōu)化。

圖8 DLC1.2-gb3工況轉(zhuǎn)速時(shí)序

圖9 DLC1.2-gb3工況塔底My時(shí)序

同時(shí)，對(duì)比更新前后DLC1.4中觸發(fā)動(dòng)態(tài)推力削減功能的工況統(tǒng)計(jì)情況，表3 所示為更新前后DLC1.4 中動(dòng)態(tài)推力削減功能不受影響。

表3 更新前后DLC1.4中觸發(fā)動(dòng)態(tài)推力削減功能工況統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)極端陣風(fēng)工況機(jī)組出現(xiàn)過速停機(jī)，造成機(jī)組載荷增大的問題，設(shè)置一個(gè)以減少超速為目的非線性變槳控制策略，在陣風(fēng)工況抑制了機(jī)組的過速停機(jī)，通過實(shí)際機(jī)組仿真結(jié)果分析，驗(yàn)證了該策略能夠有效解決極端陣風(fēng)工況機(jī)組超速停機(jī)問題，降低了風(fēng)電機(jī)組塔底的載荷，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性。

通過對(duì)控制策略觸發(fā)閾值的有效設(shè)置，在陣風(fēng)工況抑制機(jī)組過速停機(jī)的同時(shí)，保證正常發(fā)電工況不觸發(fā)該功能，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)速振蕩導(dǎo)致機(jī)組疲勞載荷增大的風(fēng)險(xiǎn)，且不影響本功能在極端陣風(fēng)工況中的正常觸發(fā)。