風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的功率控制方法研究

摘 要：傳統(tǒng)的基于風(fēng)速的功率控制方法通常會(huì)忽略風(fēng)向的變化對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響。為此，本文提出了一種基于風(fēng)向標(biāo)和輸出功率的偏航控制策略。該策略在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上安裝風(fēng)向標(biāo)，以監(jiān)測(cè)風(fēng)向的變化，并根據(jù)風(fēng)向信息調(diào)整發(fā)電機(jī)組的偏航角度，使風(fēng)輪始終對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，從而最大限度地提高風(fēng)能利用率。同時(shí)，結(jié)合輸出功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該策略還能根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)功率的精確控制。以期通過不斷優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、完善功率控制策略并加強(qiáng)政策支持和社會(huì)參與等多方面的努力，將風(fēng)電技術(shù)發(fā)展為全球能源領(lǐng)域的一股強(qiáng)大力量，為構(gòu)建綠色、低碳的未來社會(huì)做出積極貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；功率控制；偏航控制

中圖分類號(hào)：TM 614" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 定速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

在1980—1990年，丹麥的生產(chǎn)商們已經(jīng)大量采用了定速風(fēng)電設(shè)備[1]。某種雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)如圖1所示。該發(fā)電機(jī)是基于風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)交換控制的一個(gè)齒輪箱邊距結(jié)構(gòu)，齒輪箱的邊緣結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)、交換機(jī)和整體發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)過程。

該發(fā)電機(jī)的定子連接電網(wǎng)，線圈轉(zhuǎn)子經(jīng)滑環(huán)連接到變換器上。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在受變換器結(jié)構(gòu)影響的受限變速區(qū)間內(nèi)，其變換能力約為其額定功率的20%～30%，性價(jià)比較高且轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍比傳統(tǒng)的Optisli大。然而，風(fēng)電機(jī)組需要在電網(wǎng)發(fā)生事故時(shí)進(jìn)行低壓跨越，而雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組可能會(huì)出現(xiàn)較大的功率波動(dòng)，為了保障系統(tǒng)安全，高級(jí)防護(hù)體系的采用是有必要的。交流-交流換流器具有較高的變流能力和四象限工作能力，能夠進(jìn)行快速、雙向輸出。但是其采用的是相位控制的方法，特別是處于低頻率時(shí)，發(fā)電機(jī)的諧波含量較高，功率因數(shù)較低[2]。

1.2 風(fēng)力機(jī)變槳距控制

按照風(fēng)輪葉片與輪毅間的連接方式，可將風(fēng)電機(jī)組劃分為2種類型，即固定槳距風(fēng)機(jī)和可變槳距風(fēng)機(jī)[3]。風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是偏航控制，其主要作用是配合風(fēng)機(jī)調(diào)控，保證風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪一直處于迎風(fēng)狀態(tài)，進(jìn)而提升風(fēng)機(jī)的發(fā)電效能，保障風(fēng)機(jī)的安全性[4]。在自然環(huán)境中，風(fēng)力的流向經(jīng)常改變，為了增加風(fēng)力的捕捉能力，需要持續(xù)旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)以保證風(fēng)力的前向。但是受限于測(cè)速儀的準(zhǔn)確度和風(fēng)機(jī)處于下風(fēng)向等問題，風(fēng)機(jī)風(fēng)速并未完全控制，這不但會(huì)降低風(fēng)機(jī)的最高捕獲效率，還會(huì)造成風(fēng)機(jī)在工作過程中受力不均勻，引起風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與疲勞[5]。

2 基于風(fēng)速的功率控制方法

2.1 基本原理

基于風(fēng)速的輸出功率控制方法，當(dāng)風(fēng)速處于切入風(fēng)速與額定風(fēng)速的范圍內(nèi)時(shí)，采用精確的調(diào)速技術(shù)，進(jìn)行機(jī)組最優(yōu)功率特性的精確跟蹤，保證機(jī)組功率能夠達(dá)到最大化水平[6]。在風(fēng)速介于額定風(fēng)速與切出風(fēng)速間的條件下，利用可變槳距的方式，調(diào)整葉片的傾斜角度，保證額定功率恒定。本文提出一種基于風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性的風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以滿足風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)電資源的高效利用，使風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定、可靠工作。

2.2 控制流程

某并網(wǎng)過程中的整體功能流程和變槳控制算法如圖2所示。由圖2可看出并網(wǎng)初始化和風(fēng)速大小對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的影響。整個(gè)并網(wǎng)過程是一個(gè)高度自動(dòng)化、智能化的系統(tǒng)，旨在保證風(fēng)力機(jī)在各種風(fēng)速條件下都能穩(wěn)定運(yùn)行。

在該算法中，涉及參數(shù)包括風(fēng)速V、功率P、功率給定值P*、尖速比λ、最優(yōu)尖速比λopt、風(fēng)輪角速度ω、風(fēng)輪角速度給定值ω*、齒輪箱傳動(dòng)比n、風(fēng)輪半徑R、槳距角β以及風(fēng)能系數(shù)Cp。

變槳調(diào)控的實(shí)現(xiàn)過程包括以下5個(gè)步驟。1） 風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)后，進(jìn)行參數(shù)初始化操作。在此階段，特別設(shè)定槳距角β的初始值為0，并對(duì)當(dāng)前風(fēng)速V進(jìn)行判定。2） 如果判定風(fēng)速低于切入風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)就會(huì)處于非工作狀態(tài)，不進(jìn)行發(fā)電操作。3） 當(dāng)風(fēng)速處于切入風(fēng)速與額定風(fēng)速的范圍內(nèi)時(shí)，需要實(shí)施變速調(diào)控措施。速度傳感器測(cè)得實(shí)際風(fēng)速數(shù)據(jù)，DSP控制器再根據(jù)這些數(shù)據(jù)發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。齒輪箱對(duì)其進(jìn)行精確調(diào)整，以精確調(diào)控發(fā)電機(jī)速度。整個(gè)系統(tǒng)通過閉環(huán)自動(dòng)控制的方式，將實(shí)際速度與設(shè)定的目標(biāo)速度進(jìn)行比較，從而保證發(fā)電機(jī)能夠緊密跟蹤并適應(yīng)最優(yōu)的功率曲線變化，獲得最佳風(fēng)能系數(shù)CP-max=Cp（λopt，0），進(jìn)而獲取最大的功率Pt=ρπR2Cp（λopt，0）λ3。4） 當(dāng)風(fēng)速介于額定風(fēng)速與切出風(fēng)速的范圍內(nèi)時(shí)，調(diào)速器將執(zhí)行停機(jī)操作，同時(shí)可調(diào)槳距控制器將啟動(dòng)工作。該控制器會(huì)比較功率傳感器測(cè)量的實(shí)際功率信號(hào)P與預(yù)設(shè)的功率設(shè)定值P*，基于比較結(jié)果，DSP控制器將輸出相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓變槳距機(jī)制對(duì)葉片的傾斜角度進(jìn)行精確調(diào)整，得到Cp（λ，β）。這一閉環(huán)控制過程能保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠維持恒定的額定功率輸出。5） 當(dāng)風(fēng)速超過預(yù)定的切出風(fēng)速閾值時(shí)，為保障設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行，風(fēng)機(jī)液壓制動(dòng)裝置將自動(dòng)啟動(dòng)，觸發(fā)風(fēng)機(jī)停機(jī)程序，從而使風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)中安全脫離。

3 基于風(fēng)向標(biāo)和輸出功率的偏航控制策略

3.1 基本原理

當(dāng)風(fēng)向變化＞15°時(shí)，采用風(fēng)向標(biāo)引導(dǎo)的風(fēng)機(jī)操作策略。如果風(fēng)向變動(dòng)的絕對(duì)差值在15°以內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)選擇功率調(diào)控手段。原因是風(fēng)速和風(fēng)向的微變會(huì)直接影響發(fā)電機(jī)的輸出功率，而功率傳感器只能檢測(cè)到這一功率變化，只有在風(fēng)向發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，風(fēng)速的變化才會(huì)被視為干擾因素[7]?；诖?，功率控制策略被劃分為3種獨(dú)立模式，即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)以及原地靜止。該策略有助于縮短風(fēng)機(jī)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的時(shí)間，提升對(duì)風(fēng)的精確性，進(jìn)而優(yōu)化風(fēng)能利用率，延長風(fēng)機(jī)的使用壽命。

3.2 控制策略

偏轉(zhuǎn)控制流程如圖3所示。偏航控制過程如下所示。1） 風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)后，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的偏航控制進(jìn)行初始化，然后對(duì)風(fēng)向進(jìn)行判定。2） 在風(fēng)速Vd改變的絕對(duì)值超過15°時(shí)，將操作直接切換至A段，以對(duì)風(fēng)向標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。在此過程中，利用DSP系統(tǒng)對(duì)偏航電機(jī)進(jìn)行精確操控，進(jìn)而偏航電機(jī)驅(qū)動(dòng)與其同軸耦合的減速器。減速器通過大減速齒輪有效地驅(qū)動(dòng)機(jī)艙和塔架的回轉(zhuǎn)支承，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)風(fēng)。當(dāng)風(fēng)向Vd的變化絕對(duì)值≤15°時(shí)，即視為對(duì)風(fēng)操作完成。將偏航電機(jī)沿原來的方向轉(zhuǎn)動(dòng)5°，再偏航3°，從而實(shí)現(xiàn)功率控制。由?P1來判定是否需要繼續(xù)偏航。如果?P1的變化量比指定的功率差?P*大，就沿原來的方向繼續(xù)偏轉(zhuǎn)；如果相反，就回到原來位置，偏轉(zhuǎn)控制終止。3） 在風(fēng)向Vd的絕對(duì)值≤15°的情況下，根據(jù)功率的變化量來判定?P1，如果?P1≤?P*，就回到原來的狀態(tài)，不執(zhí)行偏航控制。相反，偏航電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)5°后，如果風(fēng)向Vd的偏差≤15°，就轉(zhuǎn)入B段，判定功率的改變。4） 如果?P1-?P2≤0成立，表示偏航的方向是對(duì)的，仍然使用功率控制方法，沿原來的偏擺方向執(zhí)行偏航控制，由?P1來判定是否需要繼續(xù)偏航。如果?P1比?P*大，就沿原來的方向繼續(xù)執(zhí)行偏航；如果相反，就回到原來的位置，偏擺控制完成。如果?P1-?P2＞0，就進(jìn)入C段，偏航電機(jī)將按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)5°，然后根據(jù)?P1來判定是否需要繼續(xù)偏航。5） 當(dāng)?P1-?P2＞0時(shí)，表明功率改變的原因是風(fēng)力的改變，偏航電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，由C段經(jīng)過D段回到原來的位置，因此不需要對(duì)偏航進(jìn)行調(diào)節(jié)。反之，要對(duì)其進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，由?P1來判定是否需要繼續(xù)偏航。如果?P1的變化量比?P*大，就沿原來的方向繼續(xù)偏航控制，否則就回到原來的位置，完成偏航控制。

基于風(fēng)電機(jī)組偏航控制的基本邏輯，本文通過圖3來更直觀地展示這一過程。圖3從風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)后的初始化開始，先進(jìn)行偏航控制的初始化，再不斷監(jiān)測(cè)風(fēng)向的變化。當(dāng)風(fēng)速Vd的改變超過15°時(shí)，系統(tǒng)迅速切換到A段，利用DSP對(duì)偏航電機(jī)進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)機(jī)艙對(duì)風(fēng)。該過程需要監(jiān)測(cè)Vd的變化以不斷進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)Vd的變化≤15°時(shí)，偏航電機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)功率控制。在該過程中，系統(tǒng)不斷通過?P1來判定是否需要繼續(xù)偏航。如果?P1的變化量超過指定的功率差?P*，就繼續(xù)偏航，否則返回原位，偏航控制結(jié)束。

當(dāng)風(fēng)向Vd的絕對(duì)值≤15°時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入另一個(gè)判斷流程。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)?P1與?P*的關(guān)系來決定是否執(zhí)行偏航控制。如果?P1≤?P*，就不執(zhí)行偏航控制，保持原位。如果偏航電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)5°后，風(fēng)向Vd的偏差仍然≤15°，系統(tǒng)就進(jìn)入B段，繼續(xù)監(jiān)測(cè)功率的變化。在B段，系統(tǒng)通過比較?P1和?P2的大小來判斷偏航的方向是否正確。如果?P1-?P2≤0，表示偏航方向正確，系統(tǒng)繼續(xù)沿當(dāng)前方向執(zhí)行偏航控制，并根據(jù)?P1的變化來決定是否繼續(xù)偏航或返回原位。如果?P1-?P2＞0，系統(tǒng)就進(jìn)入C段，偏航電機(jī)將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)5°，然后根據(jù)?P1來決定下一步的操作。在C段，如果?P1-?P2＞0，表明功率的改變的原因是風(fēng)力的改變，此時(shí)偏航電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)通過D段返回原位，不進(jìn)行偏航調(diào)節(jié)。如果?P1-?P2≤0，系統(tǒng)就進(jìn)入功率調(diào)節(jié)階段，根據(jù)?P1的變化來決定是否繼續(xù)偏航或返回原位。當(dāng)所有的判斷和調(diào)整都完成后，偏航控制流程結(jié)束，風(fēng)電機(jī)組繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

隨著風(fēng)電領(lǐng)域迅速發(fā)展并逐漸走向成熟，其生產(chǎn)成本逐步降低，風(fēng)機(jī)單位功率不斷增大，同時(shí)風(fēng)電機(jī)組規(guī)模也在逐漸擴(kuò)大。為高效、可靠地進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，滿足其規(guī)模化、低成本應(yīng)用的核心需求，有必要解決其關(guān)鍵難題。

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用基于風(fēng)速的功率控制策略，對(duì)風(fēng)能進(jìn)行了最大捕獲。具體來說，在切入風(fēng)速與額定風(fēng)速間的預(yù)定范圍內(nèi)，該策略能夠有效調(diào)整機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，保證其在不同風(fēng)速條件下均能高效利用風(fēng)能。調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流、頻率等參數(shù)，以追蹤最優(yōu)輸出功率，并調(diào)整風(fēng)機(jī)槳葉的傾斜角度，使其達(dá)到額定功率。研究結(jié)果顯示，以風(fēng)速為基礎(chǔ)的風(fēng)電機(jī)組功率控制策略有助于提升風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電利用率，為保證風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供支持。

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