基于自適應空氣密度變化的直驅式風機控制策略優化分析

崔 銳，李曉江，劉國棟

(京能山西漳山發電有限責任公司，山西長治046021)

基于自適應空氣密度變化的直驅式風機控制策略優化分析

崔 銳，李曉江，劉國棟

(京能山西漳山發電有限責任公司，山西長治046021)

為了有效改善直驅式風力發電機組的功率曲線，確定在空氣密度降低的情況下，提出采用功率自適應來優化風機的控制策略。利用MATLAB/SIMULINK搭建了1.5 MW直驅式風力發電機組仿真模型，風速在3～10 m/s變化時仿真數據與現場實際數據基本一致，驗證了仿真模型的準確性。將功率自適應方案嵌入仿真模型，仿真結果表明：采用功率自適應方案優化后的功率輸出大于優化前的輸出值，驗證了控制方案的有效性。

直驅式風力發電機組；功率自適應；控制策略

0 引言

在直驅式風機控制策略中，發電機扭矩是按照標準空氣密度來計算的，但在實際中空氣密度是實時變化的，從而造成風機的利用效率下降。因此，國內眾多研究機構提出了各種方法以解決風機效率低下的問題，如加裝渦流發生器、激光雷達對風、控制策略優化等。控制策略的優化不僅可以提高風機的發電效率，而且有助于提升風機的控制水平[1，2]。本文提出采用功率自適應來優化風機的控制策略，使得最優模態增益Kopt實時追蹤空氣密度的變化。利用MATLAB/SIMULINK仿真工具搭建1.5 MW風機系統仿真模型，嵌入風機當前及改進后控制算法，得出2種控制方案下的功率曲線[3]。仿真結果表明：采用功率自適應方案優化后的風機功率輸出大于優化前的輸出值，驗證了控制方案的有效性。

1 直驅式風電機組常規控制策略

1.5 MW直驅式風力發電機組典型的轉速-扭矩曲線如圖1所示。通過對機組常規控制策略的研究，可以將其分為4個階段：(1)風機切入前的階段；(2)最大功率追蹤階段；(3)額定轉速到額定功率階段；(4)額定功率至大風切出階段。

圖1 轉速-扭矩曲線

當機組檢測到當前風速達到啟動風速并持續一段時間，機組的主控系統向變流器發出啟動指令。變流器接收到并網指令后，機組開始執行柔性并網，即從零扭矩逐步增大到啟動扭矩。當機組完成并網后，機組轉速不斷地上升，此時的機組進入最大功率追蹤階段，轉速處于并網轉速和額定轉速之間[4-5]。

2 仿真模型建立

含有雙PWM背靠背電壓源型變頻器的永磁直驅發電機組(PMSG)的基本結構[6]見圖2。風力機帶動發電機進行發電，頻率、電壓變化的三相電壓經電機側變流器整流后送入直流母排，再經過網側變流器逆變為可并網的三相電壓。

圖2 永磁直驅發電機的基本結構圖

PMSG有2個控制目標：當實際風速低于額定風速時，使得風機始終處于最大功率追蹤階段，也就是保持最大風能吸收系數Cp；當實際風速大于額定風速時，受各種機械強度、發電機及變頻器等容量的限值，機組進行變槳，使功率、轉速維持在額定值附近[7]。

完整的 PMSG 模型及其控制框圖見圖3。圖中：A表示轉速控制策略；B表示發電機模型；C表示傳動系統模型；D表示風力機模型。

圖3 完整PMSG模型及控制框圖

運用MATLAB/SIMULINK仿真軟件建立了PMSG仿真模型[8，9],具體參數設置如下：PMSG的額定容量Pnom=1.5 MW；PMSG的額定電壓Vnom=690 V；頻率fnom=50 Hz；直流母線電壓VDC-nom=1 200 V；定子電阻Ra=0.006 6 Ω；電感L=0.001 4 H；極對數np=44；切入風速V=3 m/s；額定風速V=12 m/s；風力機轉子半徑R=38.5 m；等效轉動慣量J=4×106kg·m2；轉動粘滯系數Bm=0。對風速在3～10 m/s連續變化的情況進行仿真，結果如圖4～5所示。

圖4 實際功率曲線

圖5 仿真功率曲線

在風速變化過程中發電機組的仿真數據經擬合后的仿真數據如圖6所示。仿真功率與理論功率基本一致，驗證了仿真模型的準確性。

圖6 仿真數據比較

3 優化方案

對于直驅型機組，機組所能獲得的最大輸出功率為：

(1)

發電機此時的扭矩為：

(2)

機組在最初設計階段就確定了最佳風能吸收系數Cp，也就確定了最佳葉尖速比λopt。發電機最大輸出功率與空氣密度密切相關，而當地空氣密度隨時間變化，總是偏離設計值1.225 kg/m3，在現有的控制策略中，最優模態增益Kopt為定值[10-12]。當空氣密度發生變化時，對應的機械扭矩就會發生變化，若此時電磁扭矩設定值仍以Tm=Kopt×ω2(當前控制策略Kopt=135 746為定值)加以控制，則發電機轉速ω將減小或者增大，此時葉尖速比將偏離λopt，不能維持最佳Cp。若Kopt隨著密度ρ而變化，則電磁扭矩設定值Tm=Kopt×ω2將能實時跟蹤當前機械扭矩，從而維持最佳葉尖速比λopt。

4 仿真分析

控制策略優化作為功率提升方案的一種，主要集中在最大功率跟蹤階段(3～9 m/s)，鑒于仿真的精確性，仿真過程摒除了并網后的擾動階段(3～6 m/s)。選取6～8 m/s風速作為仿真條件，分別以固定風速6 m/s、7 m/s、8 m/s，改變空氣密度(即改變環境溫度)和最優模態增益Kopt加以仿真分析。

ρ=1.293×10^(-h(18 400×

(1+0.003 674t)))/(1+0.003 674t)

(3)

仿真條件：密度公式ρ中，海拔高度h=1 400m，溫度t為環境溫度，當環境溫度t從(-30～30 ℃)變化時，Kopt分別以固定(現有控制方案)和變化(控制策略優化后)2種方式進行控制，仿真功率及風能吸收系數比較如圖7～10所示。

圖7 6 m/s風速下，2種控制方案下功率比較

圖8 7 m/s風速下，2種控制方案下功率比較

圖9 8 m/s風速下，2種控制方案下功率比較

圖10 最大風能吸收系數比較

0～18 s期間為風機最大功率跟蹤階段，功率隨著風速的變化而不斷上升，Kopt變化時的功率輸出及風能吸收系數略大于Kopt固定時的輸出，反映出最優模態增益隨外部環境變化而變化時，輸出功率平均提升5 kW，風能吸收系數平均提高0.01，功率輸出較大，風能吸收系數較大。當風機達到額定功率時，機組開始變槳，不再以追求最大風能吸收系數Cp為目標，此時以額定功率、額定轉速、額定扭矩為最終調整目標。

5 結論

本文搭建的1.5 MW直驅式風機仿真模型，對風速在3～10 m/s連續變化的情況進行仿真，仿真數據與理論數據基本一致，驗證了仿真模型的準確性。在風機最大功率追蹤階段，采用功率自適應方案來優化風機的控制策略，

使得最優模態增益Kopt實時追蹤空氣密度的變化。仿真結果表明：采用功率自適應方案優化后的風機功率輸出及最大風能吸收系數均大于優化前的輸出值，驗證了控制方案的有效性。

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Control Strategy Optimization Analysis of Direct Drive Wind Turbine Based on Self-adaptive Air Density Change

CUI Rui, LI Xiaojiang, LIU Guodong

(Jingneng Shanxi Zhangshan Electric Power Co. Ltd., Changzhi 046021, China)

In the case of the air density reduction，the control strategy of direct drive wind turbine is optimized by using the power adaptation to improve the power curve and solve the problem of low utilization efficiency. Based on Matlab/Simulink, the wind power system simulation model with a 1.5 MW direct-drive permanent magnet synchronous generator is established in this paper. With the continuous change of wind speed in the case of 3～10 m/s, the simulation data and the theoretical data are consistent, which verifies the accuracy of the simulation model. The values of the power output and the maximum wind energy absorption coefficient are larger than the optimal output one. The simulation results verify the effectiveness of the control scheme.

wind turbine unit; power adaptive; control strateg

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.02.008

2016-08-18。

TM315

A

1672-0792(2017)02-0045-04

崔銳(1987-)，男，工程師，研究方向為火電廠智能控制、直驅式風機控制策略優化。