變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤控制的研究

高福偉

（國華(臨朐)風(fēng)力發(fā)電有限公司，山東濰坊，262600）

0 引言

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是當(dāng)前最主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。在額定風(fēng)速以下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)需要盡量提升能量轉(zhuǎn)換效率，從而達(dá)到提高發(fā)電效率的目的。上述目的的實(shí)現(xiàn)前提在于，需要對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，使發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際風(fēng)力改變運(yùn)行速度?？傮w而言，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心問題是“控制”，特別是對(duì)最大風(fēng)能的追蹤控制，從根本上決定發(fā)電效率。

1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行原理

■1.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，也是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分[1]。此種發(fā)電機(jī)的核心構(gòu)件為電機(jī)本體和冷卻系統(tǒng)。其中，前者包含定子、轉(zhuǎn)子、軸承系統(tǒng)；后者包含水冷、空冷、空水冷三種常見結(jié)構(gòu)[2]。所謂“雙饋”的含義為：定子和轉(zhuǎn)子都能夠與電網(wǎng)進(jìn)行功率交換，該特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的異步發(fā)電機(jī)（此種發(fā)電機(jī)只能由電子和電網(wǎng)進(jìn)行功率交換，轉(zhuǎn)子不能）。在整個(gè)雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)中，允許在限定的大范圍內(nèi)進(jìn)行變速運(yùn)行。如此一來，轉(zhuǎn)子電流注入變流器之后，變流器便可以執(zhí)行一項(xiàng)操作—對(duì)機(jī)械頻率和電頻率之間的差額進(jìn)行補(bǔ)償。無論系統(tǒng)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)還是發(fā)生了故障，發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)都會(huì)由變流器及與其有關(guān)的控制器負(fù)責(zé)管理。

變流器分為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器以及電網(wǎng)側(cè)變流器兩個(gè)部分，二者之間的關(guān)系為“彼此獨(dú)立控制”。其中，變流器的主要運(yùn)行原理為：轉(zhuǎn)子側(cè)變流器會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行“分量控制”，而這一過程可能同時(shí)產(chǎn)生有功功率和無功功率；電網(wǎng)側(cè)變流器會(huì)對(duì)直流母線電壓進(jìn)行整體控制，主要作用在于：確保變流器運(yùn)行期間，功率因數(shù)始終保持統(tǒng)一性，即始終避免出現(xiàn)無功功率。在此基礎(chǔ)上，功率究竟是饋入轉(zhuǎn)子，亦或是自轉(zhuǎn)子中提取而出，完全由傳動(dòng)鏈當(dāng)前所處的運(yùn)行條件而決定。具體而言：如果傳動(dòng)鏈處于“超同步”狀態(tài)，則功率會(huì)從轉(zhuǎn)子經(jīng)由變流器，最終饋入電網(wǎng)；如果傳動(dòng)鏈處于“欠同步”狀態(tài)，則功率會(huì)朝著相反的方向傳送。無論哪種狀態(tài)，定子始終都會(huì)向電網(wǎng)饋電。

■1.2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的四個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)階段

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為核心部件主要基于如下優(yōu)點(diǎn)：第一，能夠?qū)o功功率進(jìn)行有效控制，主要通過對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流進(jìn)行獨(dú)立控制，進(jìn)而對(duì)有功功率和無功功率進(jìn)行解耦控制；第二，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身具有“感應(yīng)”特性，無需經(jīng)由電網(wǎng)完成勵(lì)磁作業(yè)，而是經(jīng)由轉(zhuǎn)子電路完成歷次作業(yè)；第三，能夠產(chǎn)生無功功率，并經(jīng)由電網(wǎng)側(cè)變流器，將無功功率傳送給電子[3]。

基于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有四個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，分別為：

(1)啟動(dòng)階段。系統(tǒng)從靜默狀態(tài)開機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從“零”開始，速度持續(xù)上升。以“切入速度”為界限，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到這一界限時(shí)，便進(jìn)入并網(wǎng)發(fā)電階段；

(2)最大風(fēng)能追蹤階段。發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速已經(jīng)至少達(dá)到切入速度的標(biāo)準(zhǔn)，但相較于“最高轉(zhuǎn)速”還有一定的差距。在此狀態(tài)下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距角處于相對(duì)恒定的狀態(tài)，系統(tǒng)整體處于并網(wǎng)發(fā)電的狀態(tài)。在該階段，系統(tǒng)的核心目標(biāo)在于：在持續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)下，盡可能精準(zhǔn)地捕捉最大風(fēng)能。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速處于不斷變化的狀態(tài)，以達(dá)到“最大風(fēng)能利用系數(shù)”為主。

(3)恒定轉(zhuǎn)速階段。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到最大，但輸出功率尚有可提升空間。在此階段，若要保證機(jī)組處于安全運(yùn)行的狀態(tài)，則“捕獲最大風(fēng)能”的控制目的需要改變，控制重點(diǎn)需要轉(zhuǎn)變成“控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳距”，達(dá)到調(diào)節(jié)槳距角的目的。完成此種轉(zhuǎn)變之后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能捕獲效率會(huì)降低，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入轉(zhuǎn)速恒定發(fā)電階段。

(4)恒定功率階段。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率逐漸增加，最終會(huì)達(dá)到一個(gè)定值。一般情況下，機(jī)組的輸出功率不應(yīng)超過額定功率。因此，隨著風(fēng)速的增加，意味著風(fēng)能加大，為避免功率過高，需要對(duì)風(fēng)力機(jī)的變槳距系統(tǒng)進(jìn)行控制（具體是增大槳距角），實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際捕獲的風(fēng)能量的控制，令整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率處于最理想且恒定的狀態(tài)。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤控制方式

■2.1 最大風(fēng)能追蹤控制原理

根據(jù)上文所述的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的四個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)階段可知，所謂“最大風(fēng)能追蹤控制”需要根據(jù)實(shí)際風(fēng)力的大小、發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行不斷調(diào)整，最佳狀態(tài)為：現(xiàn)時(shí)風(fēng)力足以令風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)葉的速度達(dá)到額定標(biāo)準(zhǔn)，使風(fēng)力發(fā)電效率達(dá)到最高額定水平。但此時(shí)，需圍繞“風(fēng)能捕獲”進(jìn)行控制。如果缺少該環(huán)節(jié)，則轉(zhuǎn)葉轉(zhuǎn)速很可能進(jìn)一步提升，甚至有失控的風(fēng)險(xiǎn)?？傮w而言，在風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)葉轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值之后，輸出功率才會(huì)最大化。而該定值被稱為“最佳轉(zhuǎn)速”，達(dá)到之后，風(fēng)力機(jī)的“葉尖速比”便會(huì)進(jìn)入最佳狀態(tài)，風(fēng)能利用系數(shù)也達(dá)到峰值。此時(shí)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)最大風(fēng)能的捕獲。

總體而言，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)處于“變化”狀態(tài)的風(fēng)力環(huán)境時(shí)，必須持續(xù)不斷地根據(jù)風(fēng)力的具體大小，對(duì)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。如果能夠使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速始終與“最佳功率曲線”相契合，便可達(dá)到捕獲最大風(fēng)能的目的。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)期間，由于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)帶有變速齒輪箱，其作用在于：能夠令發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速最高提升到風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的N倍（此處的N并不是隨機(jī)常數(shù)，而是一個(gè)定值，即變速齒輪箱的增速比）。因此，對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制，便可實(shí)現(xiàn)“無論風(fēng)速如何變化，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速都能夠達(dá)到最佳轉(zhuǎn)速，進(jìn)而獲得最佳葉尖速比和最大輸出功率”的目的。但上述理論只是實(shí)驗(yàn)室的提法，在現(xiàn)實(shí)中，由于對(duì)自然界風(fēng)速、風(fēng)力強(qiáng)度的測(cè)量精度無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)，故最佳轉(zhuǎn)速也難以確認(rèn)。為解決這一問題，需對(duì)發(fā)電機(jī)輸出有功功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，最終在風(fēng)速精準(zhǔn)度不能精細(xì)化確定的情況下，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到最大功率。如此一來，“對(duì)最大風(fēng)能的追蹤控制”實(shí)際上便已形成。

■2.2 最大風(fēng)能的常見追蹤控制方法

2.2.1 最佳葉尖速比法

此種方法的主要原理為：調(diào)整風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠讓風(fēng)力機(jī)無論處于什么樣的風(fēng)速條件下，都可以將葉尖速比保持在最佳運(yùn)行狀態(tài)。此種控制方法的實(shí)現(xiàn)前提調(diào)鍵位：風(fēng)力機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速均需作為“輸入量”輸進(jìn)控制系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)速測(cè)量裝置以及風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算裝置的要求較高。

2.2.2 功率信號(hào)反饋法

此種方法的原理為：在“最佳功率曲線”已知的情況下，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量[4]。以該測(cè)量值為基礎(chǔ)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的最大輸出功率（該功率具體值能夠與最佳功率曲線的某個(gè)值互相映照）。對(duì)控制器而言，實(shí)際輸入量為風(fēng)力機(jī)實(shí)際輸出功率對(duì)應(yīng)的反饋值與其最大功率反饋值之間的“偏差值”。由上文所述的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理可知，對(duì)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)際上是通過一種間接的方式，達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。經(jīng)過該環(huán)節(jié)后，發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率與對(duì)應(yīng)的最大功率的變化曲線便可實(shí)現(xiàn)“重疊”，此時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行軌跡變化情況與最大風(fēng)能曲線幾乎完全一致，便可捕獲最大風(fēng)能。

3 一種針對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤控制的方法簡(jiǎn)析

■3.1 最大風(fēng)能整體追蹤控制策略設(shè)計(jì)

根據(jù)上文所述，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心構(gòu)件，針對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)主要注意對(duì)如下兩個(gè)階段進(jìn)行控制：其一，最大風(fēng)能追蹤捕獲控制；其二，恒定功率輸出控制。本文提出的針對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能的追蹤控制方法主要限制在“對(duì)額定風(fēng)速之下的最大風(fēng)能”的追蹤控制。且由于篇幅所限，只列出對(duì)“風(fēng)速整體不變”情況下的追蹤控制方式。具體而言：發(fā)電機(jī)為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，且以定子輸出有功功率替代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率，即調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速同樣會(huì)改變。在此基礎(chǔ)上，沿用“變槳距失速控制”原理，在風(fēng)速額定的情況下，無需調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的槳距角；在風(fēng)速已經(jīng)超過額定風(fēng)速時(shí)，通過調(diào)節(jié)槳距角，令系統(tǒng)整體處于功率恒定（最大功率）的運(yùn)行狀態(tài)。

■3.2 控制算法實(shí)現(xiàn)原理

3.2.1 原理簡(jiǎn)析

此種算法是一類（最大功率）點(diǎn)跟蹤算法，在“爬山搜索法”的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，即對(duì)轉(zhuǎn)速不斷增加的過程進(jìn)行有目的性的“擾動(dòng)”，使功率逐漸接近并最終達(dá)到最大值。（爬山搜索法的幾個(gè)主要步驟為：第一，在風(fēng)力的作用下，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到切入轉(zhuǎn)速之后，需對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)此時(shí)的扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及輸出功率等進(jìn)行測(cè)量；第二，施加一種“擾動(dòng)步長(zhǎng)”，并對(duì)此狀態(tài)下的輸出功率進(jìn)行測(cè)量；第三，對(duì)前后時(shí)刻的輸出功率差值、轉(zhuǎn)速差值進(jìn)行計(jì)算；第四，給出下一時(shí)刻的參考轉(zhuǎn)速，重復(fù)上述循環(huán)過程，直到功率達(dá)到最大值）。在此基礎(chǔ)上，如果系統(tǒng)真正達(dá)到最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速以及輸出功率的具體值進(jìn)行計(jì)算并記錄。此種改進(jìn)方式的原理在于：當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到最大功率后，對(duì)此時(shí)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，特別是轉(zhuǎn)速和輸出功率。有了這兩項(xiàng)重要參數(shù)之后，風(fēng)速的動(dòng)態(tài)曲線便可生成。但自然界的風(fēng)速是不可控的，即使根據(jù)氣象部門給出的預(yù)測(cè)，也只能大概將風(fēng)力變化情況維持在某個(gè)區(qū)間內(nèi)，不可能做到精確預(yù)知。基于此，常規(guī)的爬山搜索法并不是長(zhǎng)期有效的。但“爬山搜索法并不是永久有效的”并不意味著“爬山搜索法完全無法應(yīng)用”，其主要原理依然有參考價(jià)值。比如“施加下一次擾動(dòng)的方向、大小完全根據(jù)之前的擾動(dòng)功率、轉(zhuǎn)速之間的變化關(guān)系而決定”與常規(guī)的爬山搜索法完全一致。由此導(dǎo)致的結(jié)果是，當(dāng)風(fēng)速并不處于恒定狀態(tài)時(shí)，無法判斷導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率改變的原因（是由風(fēng)速的變化還是由之前施加的擾動(dòng)方向的變化而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率變化）。當(dāng)控制算法因無法清晰界定原因而導(dǎo)致搜索方向發(fā)生錯(cuò)誤，那么工作點(diǎn)不但不能逐漸接近最大功率點(diǎn)，反而會(huì)逐漸遠(yuǎn)離，最終導(dǎo)致無法對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤控制。充分考慮到上述因素之后，需要保證無論風(fēng)速是否處于變化情況，施加的“擾動(dòng)”的方向都會(huì)是最佳功率曲線方向。只有如此，針對(duì)最大風(fēng)速、最大功率點(diǎn)的搜索方向才會(huì)始終保持正確在此基礎(chǔ)上，如果系統(tǒng)真正達(dá)到最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速以及輸出功率的具體值進(jìn)行計(jì)算并記錄。

3.2.2 風(fēng)速不變情況下“最大功率點(diǎn)”的追蹤算法

風(fēng)速度不變時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線符合“一凸函數(shù)”的標(biāo)準(zhǔn)，即只有一個(gè)極值點(diǎn)。因此，可對(duì)曲線斜率的變化情況進(jìn)行分析，足以確定最大功率點(diǎn)的搜索方向、步長(zhǎng)的具體情況，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)便搜索到“最大功率點(diǎn)”。根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果（風(fēng)速恒定的情況下，功率與轉(zhuǎn)速會(huì)生成特定的關(guān)系曲線）可知，如果搜索工作點(diǎn)與最大功率點(diǎn)處于“逐漸遠(yuǎn)離”狀態(tài)，那么發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化量會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)的輸出功率產(chǎn)生較大影響；而當(dāng)搜索工作點(diǎn)與最大功率點(diǎn)逐漸接近，甚至就在最大功率點(diǎn)附近，此時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化量變不會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)的輸出功率產(chǎn)生較為明顯的影響。進(jìn)行如此設(shè)計(jì)之后，最大風(fēng)能搜索工作點(diǎn)與最大功率點(diǎn)之間便形成了如下數(shù)學(xué)關(guān)系—在曲線上，工作點(diǎn)如果與最大功率點(diǎn)越靠近，則對(duì)應(yīng)斜率的絕對(duì)值便會(huì)月底；如果二者逐漸疏遠(yuǎn)，則對(duì)應(yīng)斜率的絕對(duì)值變回越來越大。如果二者無限趨近，那么斜率變無限趨近于零。

若要使上述追蹤控制思路能夠?qū)崿F(xiàn)，需要引入“模糊控制”機(jī)制。而模糊控制器的結(jié)構(gòu)原理為：輸入→論域變換→模糊化→模糊推理→清晰化→反論域變換→輸出。此外，風(fēng)速是否處于變化狀態(tài)決定最大功率點(diǎn)追蹤算法處于什么樣的工作模式。基于此，在系統(tǒng)開始工作之前，必須對(duì)當(dāng)前風(fēng)速進(jìn)行檢測(cè)。如果忽略該步驟，則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。而為了防止系統(tǒng)運(yùn)行及檢測(cè)的成本增加。需要對(duì)風(fēng)速的變化情況進(jìn)行智能檢測(cè)—依靠風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速狀態(tài)下（變速或勻速）的運(yùn)行特性進(jìn)行測(cè)量

■3.3 仿真結(jié)果

當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸接近最佳轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)的輸出功率同樣處于不斷增加的狀態(tài)，且風(fēng)能利用系數(shù)也逐漸增大。此時(shí)，發(fā)電機(jī)定子輸出有功功率的變化趨勢(shì)為：先增加、后降低，之后再逐漸增加，直至達(dá)到最大之后恒定。

4 結(jié)語

針對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能進(jìn)行追蹤控制的實(shí)現(xiàn)原理并不復(fù)雜，需要遵循的思路為：根據(jù)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及整個(gè)系統(tǒng)的最大輸出功率、轉(zhuǎn)速、風(fēng)能利用系數(shù)之間的聯(lián)系，結(jié)合實(shí)際風(fēng)速，保證發(fā)電機(jī)功率達(dá)到最大功率點(diǎn)。滿足這一條件，客觀上便實(shí)現(xiàn)了“對(duì)最大風(fēng)能的有效追蹤控制”。