兆瓦級風力發電機組偏航反時限優化控制

徐衛峰 趙剛 郝勇生 嚴偉

(南京南瑞繼保電氣有限公司電氣研究院,江蘇 南京 211106)

兆瓦級風力發電機組偏航反時限優化控制

徐衛峰 趙剛 郝勇生 嚴偉

(南京南瑞繼保電氣有限公司電氣研究院,江蘇 南京 211106)

為解決兆瓦級風力發電機組不能頻繁偏航和及時響應的矛盾,采用體現能量特征的反時限方法獲得相對風向閾值及延時時間。考慮輸入信號的穩定性,使用均值對風速和風向進行處理。在流程上對相鄰兩次動作進行時間限制,提高設備使用壽命。在PLC控制器上構建了仿真環境,實測結果驗證了該算法的可行性及可靠性,為偏航系統優化運行提供可行指導。

風力發電機組 偏航控制 風向標控制 反時限 PLC

0 引言

隨著各國對風力發電的大力支持,相關控制技術的研究也廣泛開展起來。目前,研究主要集中在發電流程控制、變槳控制、變流器控制等[1]方面,在偏航方面也取得了一些成果。如基于風向標的風向標控制(vane control,V-C)[2],基于功率的爬山法H-C控制[3],及綜合V-C和H-C的改進V-HC控制等[4]。此外,也出現了卡爾曼濾波的PI控制器、模糊控制器[5]、最優控制器等[6]。

上述算法和控制器對于兆瓦級以上的機組,雖理論上可行,但實際應用時存在一定的問題。如爬山法由于存在風速變化引起功率變化的情況,會觸發偏航的嘗試操作[7],該試探性的偏航操作是多余的。本文基于傳統風向標控制,設計了一種反時限風向標控制(inverse time vane control,ITVC)算法,即通過反時限算法計算所需的偏差角度和延時,并采用改進的判斷邏輯,取得了理想的預期效果。

1 ITVC算法

ITVC算法對原風向標控制算法中的相對風向閾值、偏航激活延時以及觸發條件進行了改進。

1.1 風向標控制算法

風向標控制(V-C)算法的控制流程如圖1所示。

圖1 風向標控制流程圖Fig.1 Flowchart of vane control

風向標控制就是根據安裝在風機機艙尾部的風向標測得的相對風向差,通過判斷風向偏差的大小來控制偏航,使得風機始終處于迎風狀態的一種策略。由于具有控制流程簡單、維護方便等特點,V-C算法在大中型風機上得到了廣泛的應用。風向標有機械和超聲波[8]兩種類型,由于超聲波風向標無機械結構,可靠性高,被廣泛應用于風機。

由于結構和自重問題,在考慮設備使用壽命與自用電的情況下,大型風力發電機組不可能與小型機組一樣可隨時偏航保證對風,因此需合理規劃啟動偏航的時機,取得在發電量、設備使用壽命以及自用電三者之間的平衡,做到高風速下能及時響應、低風速下合理偏航。這取決與兩個關鍵的因素,即啟動偏航的相對風向的閾值和門檻越過后的延時。

1.2 相對風向閾值

相對風向的閾值決定了偏航系統什么時候被激活。該值的大小決定了偏航啟動的頻繁程度。文獻[2]中由于傳感器采樣精度的問題,其閾值限制在了15°。近年高精度超聲波風向標的大量采用,使該方案已經不能很好地滿足實際需求。

偏航的目標是為了盡可能多地獲取風能,但其自身運轉需要消耗一定的能量,因而有必要評估不同工況下的偏差角帶來的發電損失與自用電之間的關系,即通過偏航對風增加的發電功率需大于自用電功率。依據貝茲理論[9],風力發電機組的發電功率滿足式(1):

式中:P為發電機組有功功率,W;ρ為空氣密度,kg/m3; v為風速,m/s;S為風輪的掃風面積,m2;Cp為風能利用系數。

當風向存在偏差角θ(0～90°)時,有損失功率Ps:

當損失功率大于偏航自用電功率Pz時,則有必要進行偏航對風,獲取最大能量,即Ps＞Pz。由此可得:

在風機型號固定及工況固定的情況下,通過式(3)可知θ與風速倒數的三次方成反余弦關系。由于式(3)比較復雜,有必要對其進行簡化。設:

則式(3)可簡化得到:

對于兆瓦級以上的風機,Pz取20 kW,ρ約為1.21 kg/m3,S以風輪半徑50 m計算,Cp取0.48。因正常情況下風速在2 m/s以上對于啟機才有意義,最終1/v′的取值在[0,1]之間,與1/v的區間匹配。

通過數據分析可知,偏差角與無量綱風速的倒數平方基本與原反余弦關系吻合,如圖2所示。圖中X軸為v0/v,為無量綱風速,其中v0為啟動偏航的下限風速。

圖2 偏差角與風速倒數的關系Fig.2 Relationship between difference angle and(v0/v)

根據上述關系,考慮只有v大于v0才有實際意義,設計偏差角θ滿足以下表達式:

式中:a為常量,需根據風機系統的實際設計方案整定。

雖允許的偏差角θ取值范圍為0～90°,但由于風向的波動性,為避免誤動作,需設置一個下限。同理,如果該值較高,則有可能長時間都無法動作。因此,經過限值的編差角θ的實際取值曲線如圖3所示。

圖3 偏差角θ實際取值曲線Fig.3 Curve of actual value taken of difference angle θ

1.3 偏航激活延時

當相對風向偏差角超過閾值時,即進入偏航激活狀態。由于風向采樣的擾動,因此有必要通過延時確保執行的準確性。但不同工況下采用固定延時一刀切的做法顯然不符合實際運行的需要。高風速時風向的采樣精度也較高,同時風機本體受到的側向力的作用引起的振動也較大,此時可適當減少延時時間,以提高執行效率。

根據國際電工委員會標準(IEC 255-4)和英國標準規范(BS 142.1966)的規定,對反時限有以下定義:

式中:k為時間常數系數;Tp為時間常數;I為故障電流;Ip為基準電流;α為反時限類型,取值為0.2時表示為一般反時限,取值為1時表示為強反時限,取值為2時表示為超反時限,取值為3時表示為長反時限。

由于風速與電流一樣都是能量的體現,且存在類似的指數關系,因而上述反時限方案完全適用于偏航啟動的延時。考慮到相對風向采樣值的波動性,選用較為緩和的一般反時限方案。根據式(7)即有以下關系式:

式中:β為時間常量,由風機偏航系統方案確定;v0為啟動偏航的下限風速。

由式(8)可知,當v/v0在[1,∞]變化時,對應的t的取值為[0,∞]。實際使用時間不可能取0值,如取0值或極小的值,則失去了消除風向采樣擾動的能力;也不能取很大的值,這樣會導致偏航長時間滿足不了啟動條件而無法動作,從而失去了判斷的意義。因而必須對該延時加以限制。啟動偏航延時曲線如圖4所示。

圖4 啟動偏航延時曲線Fig.4 Delay time curve of starting up yaw

1.4 ITVC算法的優點

相對風向閾值與偏航激活延時對傳統的V-C控制進行了改進,主要體現在以下兩個方面。

①合理捕獲,風能最大化。通過對當前可捕獲風能與自消耗能量之間的評估,合理做出啟動偏航的判斷,優化偏航系統的運行,提高偏航系統設備的使用壽命。

②快速的響應能力。利用反時限的原理,確保了條件滿足情況下動作的快速性,縮短了對風時間,提高了總發電量。

2 程序設計

相對風向和風速采樣值的處理是整個算法的基礎,在程序設計時需確保其真實、可靠。另外偏航控制流程在一些細節方面同樣需要關注。

2.1 相對風向和風速采樣值處理

在整個對風算法中,除了相對風向閾值以及偏航激活延時的確定,采樣值的準確度對于算法至關重要。而采樣值精度是由選用的風向儀決定的。對于超聲波風向儀,其采樣值是快速波動的,加上可能出現的陣風和隨機風[10]的影響,其瞬時采樣值波動范圍很大,這對于需要穩定可靠的偏航算法而言幾乎無法應用。

由于隨機性,各種濾波方法一方面難以取得理想效果,另一方面計算量也較大。常規的平均法雖簡單直觀,但為取得較好的濾波效果,就必須延長平均值計算的時間間隔。平均法由此帶來一個采樣值滯后問題,即有可能5 min的風向偏差平均值已經達到相對風向閾值,而當前實際的相對風向在可接受范圍內,且已經穩定,不需要偏航。因此,需合理選取平均值時間間隔,通過長間隔加短間隔同時判斷的方式增加閾值越限的準確性。

作為相對風向閾值和偏航激活延時計算的重要依據,風速同樣采用平均值方法。其平均值計算時間窗可以適當取長一點,以充分反映當前的能量供給狀態,但需同時考慮動態響應問題。

2.2 ITVC算法控制流程

在偏航系統運行過程中,除了解纜過程外,在正常偏航過程中,均通過液壓系統使機艙帶有一定的阻尼進行對風。這主要是為了保證機組在大風運行下的可靠性。但帶載運行帶來的磨損對機組壽命有著不利的影響。為限制機組頻繁對風,可通過在兩次偏航動作之間增加一個強制延時間隔,即下一次偏航動作必須在上一次偏航動作完成一定時間后進行。該策略在相對風向大范圍擾動的情況下能有效降低偏航啟動的次數。我們需根據機組本身特性確定該延時。

ITVC算法控制流程說明如下。首先,對風速和風向采樣值進行平均值濾波處理,同時根據上述算法獲得相對風向閾值以及偏航激活延時時間。在判斷滿足上次偏航結束延時后,將相對風向的偏差值與閾值進行比較。如果越限條件滿足且延時時間到,則激活相應的偏航動作。當相對風向角度滿足停止條件時,停止偏航并記錄當前扭纜位置,最后返回。

經過改進的ITVC算法控制流程如圖5所示。

圖5 ITVC偏航控制流程圖Fig.5 Flowchart of ITVC

3 仿真數據及分析

根據上述算法,在風速為7 m/s、相對風向階躍為10°的情況下,偏航系統執行的曲線如圖6所示。

由于風速是波動的,通過風速計算的相對風向閾值也是波動的,該值通過計算為7.6°左右。通過風速計算得到的延時時間也是一個變化量,該值通過計算為9.6 s左右。由圖6可看出,當相對風向階躍10°后,相對風向差30 s均值與1 s均值在9.1 s附近,同時大于閾值,并在開始時保持該狀態。在18.7 s處,相對風向30 s均值開始下降,即順時針偏航開始,整個延時過程持續約9.6 s,與設定值吻合。在36.8 s處,相對風向差1 s均值滿足1°以內的要求,即停止偏航。

圖6 偏航仿真動作曲線Fig.6 Yaw action curve in simulation

4 結束語

本文在傳統風向標控制(V-C)偏航控制的基礎上,提出了一種基于反時限的反時限風向標控制(ITVC)算法。該算法面向大中型風力發電機組,通過反時限特性有效提高了動作速度,并通過相鄰兩次偏航強制時間間隔,提供一種在效率與機組設備使用壽命之間的平衡策略,優化了相對風向閥值計算,在兆瓦級以上機組具有良好的控制效果和應用前景。

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[9] 霍志紅,鄭源,左潞,等.風力發電機組控制技術[M].北京:中國水利水電出版社,2010:7-10.

Inverse Time Optimized Yaw Control for MW Wind Turbines

In order to resolve the contradiction between infrequent yaw and timely response for MW wind turbines,the inverse time method reflecting energy features is used to obtained relative wind direction threshold and time delayed.To ensure the stability of the input signal,the average of wind speed and wind direction is used.Service life of the equipment is improved by limiting the time period of two adjacent actions of the yaw.The simulation environment is built in PLC controller,the result of real tests verify the feasibility and reliability of this method;it offers feasible guidance to optimal operation of the yaw system.

Wind turbine Yaw control Vane Control Inverse time PLC

TP273+.1

A

修改稿收到日期:2013-12-14。

徐衛峰(1979-),男,2005年畢業于東南大學熱能工程專業,獲碩士學位,工程師;主要從事風機主控系統的開發及測試工作。