基于最優(yōu)槳距計(jì)算的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐槍聲，和海濤，郭霖濤，牛煥然

(1.國(guó)電投河南新能源有限公司，河南 鄭州 450001) (2.許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000)

隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，大型變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組如何保持最佳葉尖速比、提高風(fēng)機(jī)在額定風(fēng)速以下的最佳風(fēng)能捕獲能力、最大限度地增加機(jī)組的發(fā)電量，是目前風(fēng)機(jī)控制策略的主要研究方向。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)變速變槳風(fēng)力機(jī)組的控制策略做了大量的研究，針對(duì)提高額定風(fēng)速以下風(fēng)機(jī)最優(yōu)控制方案的研究取得了一些有益成果。文獻(xiàn)[1]、[2]給出了一種間接的轉(zhuǎn)速控制策略，即在額定風(fēng)速以下，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩輸出，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)能捕獲；文獻(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[4]提出借助測(cè)風(fēng)設(shè)備測(cè)得風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面的來(lái)流風(fēng)速，依據(jù)風(fēng)機(jī)功率特性計(jì)算出發(fā)電機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速的直接轉(zhuǎn)速控制策略，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)在額定風(fēng)速下的最優(yōu)運(yùn)行。以上的研究成果中，無(wú)論是間接的還是直接的轉(zhuǎn)速控制策略，因?yàn)轱L(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，所以在風(fēng)速快速變換的情況下，機(jī)組都難以快速實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的最優(yōu)追蹤。其中基于測(cè)量風(fēng)速的控制方法完全依賴于測(cè)風(fēng)設(shè)備的測(cè)量精度，需要對(duì)整個(gè)風(fēng)輪掃掠面的風(fēng)速進(jìn)行處理，在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果有限。同時(shí)，上述的研究在額定風(fēng)速以下將葉片槳距角設(shè)置為常量，未充分利用葉片在不同葉尖速比下的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上提出了一種基于風(fēng)速估計(jì)的風(fēng)電機(jī)組最優(yōu)功率控制策略，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組當(dāng)作風(fēng)速儀，以解決風(fēng)速測(cè)量的問(wèn)題，同時(shí)在額定風(fēng)速以下通過(guò)最優(yōu)槳距控制器計(jì)算出最優(yōu)槳距角，以使風(fēng)機(jī)始終保持最大的功率輸出，提高風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量。最后基于Bladed Hardware Test模塊搭建了硬件在環(huán)半實(shí)物仿真平臺(tái)，對(duì)所提出的控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 變速變槳風(fēng)力機(jī)組的控制策略

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)可將風(fēng)機(jī)吸收功率P表示為：

(1)

式中：ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪直徑；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；v為風(fēng)速；λ為葉尖速比，λ=ωrR/v，ωr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；β為槳距角。

定義葉尖速比為葉尖線速度和風(fēng)速的比值，則式(1)可表示為：

(2)

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T為：

(3)

式中：K為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，在不同槳距角下存在最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax和與之對(duì)應(yīng)的最優(yōu)葉尖速比λopt。由圖1可知，當(dāng)槳距角β=0時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)最大為Cpmax，隨著葉尖速比的增加，對(duì)應(yīng)的最大風(fēng)能利用系數(shù)先增加后減小。

圖1 風(fēng)能利用系數(shù)曲線

風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的控制曲線如圖2所示，低風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行于最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速N1(ab段)，此后隨著風(fēng)速的增加轉(zhuǎn)矩增加，至最優(yōu)轉(zhuǎn)矩后進(jìn)入最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制；在最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制bc段運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由式(3)給定，以保證風(fēng)機(jī)追蹤最優(yōu)葉尖速比；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速Nr時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)矩PID控制器控制，在增加至額定轉(zhuǎn)矩后進(jìn)入恒功率運(yùn)行狀態(tài)[5-6]。

圖2 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

2 最優(yōu)槳距計(jì)算控制器

傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制策略中，為了在最優(yōu)葉尖速比附近獲得更高的風(fēng)能轉(zhuǎn)化率，通常將Cpmax處較為平緩的槳距角設(shè)為固定的最佳槳距角。由圖3可知，在額定風(fēng)速以下機(jī)組以最優(yōu)槳距角β=0°運(yùn)行時(shí)，雖能保證機(jī)組在最佳葉尖速比λopt處的最大功率追蹤，但在機(jī)組葉尖速比高于或低于λopt時(shí)，最佳槳距角對(duì)應(yīng)的Cp值偏低。

圖3 不同槳距角下靜態(tài)風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)

由此可見(jiàn)，在風(fēng)速快速變化或由于理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際偏差導(dǎo)致機(jī)組實(shí)際未在λopt附近運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的實(shí)際風(fēng)能轉(zhuǎn)化率大大降低。為了進(jìn)一步提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用率，本文提出了一種自適應(yīng)最優(yōu)槳距角計(jì)算控制器，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算不同葉尖速比下對(duì)應(yīng)的最優(yōu)槳距角，以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的最大風(fēng)能捕獲能力，提高機(jī)組的發(fā)電量。

圖4所示為某2 MW機(jī)組葉片的靜態(tài)Cp(λ,β)曲線，為了更直觀地展現(xiàn)Cp(λ,β)的規(guī)律，圖中將Cp小于零的部分當(dāng)作零處理。由圖可以看出，在不同葉尖速比和不同槳距角下，葉片的最大風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)有較大差異，整體趨勢(shì)為隨著槳距角的增加葉片最大風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)逐漸減小?；谧顑?yōu)槳距角計(jì)算的控制策略為：將葉片的風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)特性數(shù)據(jù)寫入控制器，在機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)計(jì)算葉尖速比λ，查表計(jì)算出與之對(duì)應(yīng)的最優(yōu)槳距角，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)風(fēng)能的最大利用。

圖4 風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)曲線

3 風(fēng)速估計(jì)控制器

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)速估計(jì)控制策略，基于式(2)的風(fēng)機(jī)功率特性關(guān)系，定義函數(shù)f(Cp,λ)為[7]：

(4)

風(fēng)速估計(jì)值：

(5)

風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為：

(6)

式中：Tm為風(fēng)輪機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。

圖5所示為槳距角β=0°時(shí)函數(shù)f(Cp,λ)的特性曲線，函數(shù)f(Cp,λ)中的值可通過(guò)Cp(λ,β)特性曲線查表計(jì)算求出。由圖可知，機(jī)組在正常運(yùn)行過(guò)程中，函數(shù)f(Cp,λ)有唯一的λ值與之對(duì)應(yīng)，即對(duì)于測(cè)量的發(fā)電機(jī)功率P、槳距角β和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速ωr有唯一的計(jì)算風(fēng)速值與之對(duì)應(yīng)。

圖5 額定風(fēng)速下f (Cp, λ)曲線

風(fēng)速估計(jì)控制流程如圖6所示，驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪的機(jī)械轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩作用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)，隨著外界風(fēng)況的變化，將在傳動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)變化的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速ω。通過(guò)機(jī)械和電氣損耗修正模型實(shí)時(shí)計(jì)算出風(fēng)輪實(shí)際吸收的功率Propt，之后依據(jù)測(cè)量的機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和槳距角，通過(guò)式(4)計(jì)算出函數(shù)f(Cp,λ)對(duì)應(yīng)的葉尖速比λ，最后通過(guò)式(5)對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)輪面平均的風(fēng)速值進(jìn)行估算。

圖6 風(fēng)速估計(jì)控制器

基于風(fēng)速估計(jì)的直接轉(zhuǎn)速控制策略中，定義轉(zhuǎn)速參考值ωref為：

(7)

式中：vest為估計(jì)風(fēng)速。

如圖7所示，通過(guò)風(fēng)速估計(jì)控制器計(jì)算出風(fēng)輪轉(zhuǎn)速參考值ωref，將轉(zhuǎn)速參考值和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量值輸入到功率PID控制器，通過(guò)轉(zhuǎn)速-功率閉環(huán)控制方式，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速追蹤設(shè)定的最佳轉(zhuǎn)速值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)速控制。

基于本節(jié)給出的風(fēng)速估計(jì)控制策略，將風(fēng)電機(jī)組本身作為風(fēng)速儀，解決了直接轉(zhuǎn)速控制過(guò)程中風(fēng)

速測(cè)量完全依賴于輔助測(cè)風(fēng)設(shè)備精度的問(wèn)題。除此之外，基于動(dòng)態(tài)的風(fēng)速估計(jì)控制策略，解決了最優(yōu)槳距控制器計(jì)算過(guò)程中的風(fēng)速信號(hào)的測(cè)量問(wèn)題，使機(jī)組在不同葉尖速比下追蹤最佳的Cp值，獲得最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

4 控制系統(tǒng)建模及半實(shí)物平臺(tái)實(shí)驗(yàn)

本文以某2 MW雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，基于Bladed Hardware Test硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，對(duì)最優(yōu)槳距計(jì)算和風(fēng)速估計(jì)控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。機(jī)組為三葉片上風(fēng)向風(fēng)機(jī)，風(fēng)輪直徑為93 m，輪轂高度為80 m。根據(jù)IEC 61400-1風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)范，在EOG(extreme operating gust)和NTM(normal turbulence model)仿真工況下對(duì)風(fēng)速估計(jì)控制器的估計(jì)值、最優(yōu)曲線追蹤和發(fā)電量等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

搭建如圖8所示的半實(shí)物仿真平臺(tái)，基于風(fēng)電仿真軟件Bladed Hardware Test的硬件仿真模塊實(shí)現(xiàn)主控可編程邏輯控制器(PLC)和Bladed的數(shù)據(jù)交互。通過(guò)B&R公司的B&R Protocol通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC與Bladed Hardware Test的通訊，在Bladed Hardware Test軟件中設(shè)置IP地址，配置測(cè)試腳本、通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)通道后生成plan文件，將生成的plan文件導(dǎo)入到Bladed中，最后正確設(shè)置Bladed后進(jìn)行半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)[8]。

圖8 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.1 極端陣風(fēng)下的控制策略響應(yīng)特性

為驗(yàn)證本文所提控制策略的暫態(tài)響應(yīng)特性，即風(fēng)速大波動(dòng)下風(fēng)速估計(jì)控制器對(duì)輪轂風(fēng)速的追蹤能力，在EOG工況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。由圖可以看出，估計(jì)風(fēng)速與輪轂風(fēng)速的變化趨勢(shì)基本一致。由于風(fēng)速估計(jì)控制器是依據(jù)風(fēng)機(jī)功率特性進(jìn)行風(fēng)速推算的，因此估計(jì)值相較于實(shí)際風(fēng)速信號(hào)存在一定的滯后，同時(shí)因?yàn)楣烙?jì)值為考慮風(fēng)機(jī)損耗后整個(gè)風(fēng)輪掃掠面的等效利用風(fēng)速，模型設(shè)置的風(fēng)速為輪轂?zāi)骋稽c(diǎn)的單點(diǎn)風(fēng)速，所以在陣風(fēng)前后穩(wěn)定時(shí)間段估計(jì)值與輪轂實(shí)際風(fēng)速最大偏差為1.9%，在允許范圍之內(nèi)。由此可以看出，所設(shè)計(jì)的風(fēng)速估計(jì)控制器在極端風(fēng)況下對(duì)于風(fēng)速的追蹤效果較為理想。

圖9 極端陣風(fēng)下輪轂風(fēng)速和估計(jì)風(fēng)速

4.2 湍流風(fēng)況下的控制策略響應(yīng)特性

為驗(yàn)證本文提出的控制策略在正常湍流風(fēng)況下的魯棒性，依據(jù)搭建的半實(shí)物仿真平臺(tái)在IEC設(shè)計(jì)規(guī)范定義的正常湍流風(fēng)況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖10所示。在正常湍流風(fēng)況下控制器估計(jì)風(fēng)速與輪轂風(fēng)速的吻合度較高，風(fēng)速估計(jì)值與實(shí)際風(fēng)速變化趨勢(shì)一致，風(fēng)速估計(jì)信號(hào)濾除了風(fēng)速自然波動(dòng)的影響，有利于減小槳葉頻繁動(dòng)作對(duì)整機(jī)載荷的影響，同時(shí)更為平滑的風(fēng)速信號(hào)有利于進(jìn)一步提升風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖10 輪轂風(fēng)速和估計(jì)風(fēng)速值

圖11所示為正常湍流風(fēng)況下機(jī)組運(yùn)行的部分特性曲線，由圖11(a)可以看出，基于直接轉(zhuǎn)速控制的閉環(huán)策略，風(fēng)機(jī)對(duì)設(shè)定轉(zhuǎn)速值的追蹤性能較好，風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行穩(wěn)定，控制系統(tǒng)無(wú)失穩(wěn)或震蕩情況。由圖11(b)湍流風(fēng)況下機(jī)組槳距角變化可以看出，機(jī)組在到達(dá)額定轉(zhuǎn)速前，最優(yōu)槳距控制器根據(jù)實(shí)時(shí)葉尖速比計(jì)算出對(duì)應(yīng)的最大風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)Cpmax，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組最佳的風(fēng)能捕獲。圖中虛線所示的槳距角標(biāo)志位1表示基于推力消減策略激活變槳?jiǎng)幼?；槳距角?biāo)志位2表示最優(yōu)槳距控制器激活變槳?jiǎng)幼鳌Ｔ谡Ｍ牧黠L(fēng)況下最優(yōu)槳距計(jì)算控制策略對(duì)于風(fēng)能的轉(zhuǎn)化效率，可用最優(yōu)葉尖速比進(jìn)行評(píng)判，由圖11(c)不同控制策略下機(jī)組葉尖速比變化曲線可以看出，正常運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉尖速比在最優(yōu)葉尖速比λopt附近波動(dòng)，相較于采用固定槳距角的傳統(tǒng)控制策略，基于最優(yōu)功率控制策略的機(jī)組葉尖速比在λopt附近波動(dòng)幅度更小，風(fēng)能利用率更高。

圖11 正常湍流風(fēng)況下機(jī)組運(yùn)行特性

4.3 最優(yōu)功率控制策略動(dòng)態(tài)發(fā)電特性

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制策略的動(dòng)態(tài)發(fā)電特性，借助Bladed仿真軟件搭建的半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，風(fēng)速間隔設(shè)置為0.25 m/s，每個(gè)風(fēng)速對(duì)應(yīng)5個(gè)風(fēng)種子，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況下對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)組在切入風(fēng)速和切出風(fēng)速間的動(dòng)態(tài)發(fā)電特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

仿真實(shí)驗(yàn)得到的風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)槳距角變化曲線如圖12所示。由圖可以看出，運(yùn)用本文提出的最優(yōu)功率控制策略可在最優(yōu)葉尖速比處維持槳距角在0°附近，當(dāng)葉尖速比高于或低于最優(yōu)葉尖速比時(shí)適當(dāng)增加槳距角可以增加Cp值，有效地提高機(jī)組的發(fā)電效率。

圖12 風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)最優(yōu)槳距角曲線

以某年平均風(fēng)速為6 m/s的風(fēng)電場(chǎng)為例，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)獲得的機(jī)組動(dòng)態(tài)功率曲線(風(fēng)速-功率曲線)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，動(dòng)態(tài)功率曲線和年發(fā)電量如圖13和表1所示，采用Weibull風(fēng)速模型計(jì)算不同控制策略下單臺(tái)機(jī)組的年平均發(fā)電量，見(jiàn)表1。由表可知，采用本文提出的最優(yōu)功率控制策略單臺(tái)機(jī)組年平均發(fā)電量可提高1.3%左右。

圖13 不同控制策略下風(fēng)機(jī)功率曲線

表1 不同控制策略下單臺(tái)機(jī)組年平均發(fā)電量

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于最優(yōu)槳距角計(jì)算和風(fēng)速估計(jì)控制器的大型變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最優(yōu)功率控制策略，可以根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算出不同葉尖速比對(duì)應(yīng)的最優(yōu)槳距角，在極端和正常湍流風(fēng)況下對(duì)輪轂風(fēng)速的追蹤性能較為理想，保證了風(fēng)機(jī)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的最大功率輸出，有效提高了機(jī)組的發(fā)電量。