基于功率參考值波動的風機控制策略改進

王永耀

(大唐山西新能源有限公司，山西 太原 030032)

基于功率參考值波動的風機控制策略改進

王永耀

(大唐山西新能源有限公司，山西 太原 030032)

針對風電機組外部功率參考值下降時風機安全控制策略問題，以變速恒頻風電機組為對象，在常規控制策略基礎上提出了一種改進控制策略，并通過Simulink模型對不同控制策略下的仿真結果進行了對比和分析。結果表明：通過調節槳距角的改進控制策略能夠更好地適應機組故障等情況，可降低機械轉矩和電磁力矩震蕩，保證機組安全運行。

變速恒頻；風電機組；外部功率；波動；控制策略

0 引言

風力發電在減少煤炭等化石燃料消耗的同時，可有效降低污染物排放，對節能環保具有重要意義。由于風力發電波動性較大，電網對風電的接納能力有限，在國家電網公司制定的風電運行技術標準中，要求風電場根據電網調度指令控制有功功率的輸出。風機功率通常與風速有著直接的關系，但也可以通過外部功率參考值將功率調低。當機組運行出現問題時，應及時降低機組功率或停機，避免因帶傷運行導致風機出現重大事故。機組的功率額定值調低，稱為額定值減少。額定值減少源包括操作者請求、元件高溫和電網事件，3者所對應的3個功率參考值中的最小值就是風機外部功率參考值。

1 模型分析

1.1 風力機數學模型

根據貝茲(Betz)理論，風力機單位時間內捕獲的風能為：

式中：ρ為空氣密度；A為風輪掃風面積；v為風速；Cp為風能利用系數；λ為葉尖速比；R為風輪半徑；ωT為風輪轉速。

當v與ρ一定時，風力機吸收風能能量取決于Cp。Cp是關于葉尖速比λ和槳距角β的高階非線性函數，3者關系如圖1所示。

1.2 傳動系統數學模型

風機系統傳動鏈模型為:

式中：ωg為發電機轉速;t為時間;Tm和Te分別為風機高速軸機械轉矩和發電機電磁力矩；J為傳動系統轉動慣量。

在MATLAB/Simulink環境下搭建仿真模塊，如圖2所示。

1.3 發電機模型

相比較于同步電機的勵磁，異步雙饋電機不僅可以調節勵磁電流幅值，還可以改變勵磁頻率和相位。通過改變勵磁頻率，可改變電機的轉速，從而達到調速的目的；采用矢量控制方法將定子電流矢量分解為產生磁場的勵磁電流和產生轉矩的轉矩電流分別加以控制。現重點研究功率參考值波動時變速恒頻機組功率控制，對異步雙饋電機不作過多討論，將發電機等效為一階慣性環節。其中，發電機輸出功率的計算公式為：

圖1 Cp與λ，β的對應關系

圖2 傳動系統仿真模塊

1.4 風能吸收計算模塊

根據式(1)設計風能吸收計算模塊，可以直觀觀測風輪所吸收能量，進一步比較不同控制策略下機組響應功率參考值的特性。風能吸收計算模塊如圖3所示。

2 控制策略

2.1 常規控制策略

現以某風電場運行機組為例，在機組正常運行全額上網情況下，變速風電機組控制策略：當風速和功率未達到額定值時，機組啟用部分功率控制器，根據當前最佳轉速和功率要求實現最大功率跟蹤；當風速和功率達到額定值時，機組啟用全功率控制器，根據當前最佳轉速與最佳槳距和推力限制的最大值，實現額定功率運行，如圖4所示。

圖3 風能吸收計算模塊

圖4 常規控制策略

由圖4可知，當外部功率參考值下降時，機組啟用部分功率控制器，通過控制轉矩參考值來調節風輪所吸收風能和發電機功率，該過程中槳距不變；若機組停機，槳葉將調整至順漿位置。

2.2 改進控制策略

當機組外部功率參考值下降，常規控制策略僅限于調整轉矩參考值，未能利用風機槳距角來限制風輪吸收風能。現在常規控制策略基礎上進行改進，如圖5所示。

在轉矩參考值計算中，仍然采用常規控制策略。在槳距參考值計算方面，根據功率參考值與實際功率大小關系對槳距角進行調整，在滿足推力限制的槳葉位置范圍內輸出槳距參考值。該策略能夠通過調節槳距角控制風輪吸收風能，針對可能發生的停機提前調整槳葉位置，能更好適應功率下降的情況。

圖5 改進控制策略

3 外部功率參考值及額定值減少源

通常，風機功率與風速有著直接關系，但也可以通過外部功率參考值將功率調低，即機組的額定值減少。

3.1 減少源

外部功率參考值被選作3組額定值減少源(操作者請求、元件高溫、電網事件)設定的幾個參考值的最小值，如圖6所示。

功率參考值不得超過額定功率，也不得低于最小功率參考值。其中，最小功率參考值用來減少傳動鏈上的載荷，過低地減少外部功率參考值，可能會導致變速箱內不必要的后沖。最小功率參考值取決于風速，其與風速對應關系如圖7所示。

上述分析可知，額定值降低具有多個減少源。

現以齒輪軸承溫度為例，進一步討論減少源與額定值降低之間的關系。

圖7 最小功率參考值與風速對應曲線

3.2 齒輪軸承溫度對額定值降低的影響

當齒輪軸承溫度低于額定溫度40℃時，風機額定值不受影響；當齒輪軸承溫度超過40℃時，風機功率額定值隨著齒輪軸承溫度的升高呈反比例下降趨勢。當齒輪軸承溫度達到報警極限溫度45℃時，風機功率降為最低額定值；當齒輪軸承溫度達到50℃時，風機將停機，如圖8所示。

圖8 齒輪軸承溫度與風機功率額定值百分比之間關系

4 仿真驗證

4.1 仿真條件

為驗證控制策略的正確性，采用Matlab/Simulink仿真軟件建立風機模型。風機切入風速為 3.5m/s，額定風速為 12.5m/s，發電機最低轉速為0.5p.u.(0.5倍的額定轉速)，最高轉速為1.2p.u.(1.2 倍的額定轉速)。

現以圖8的功率曲線為例，假設風速始終處于額定風速以上，并以此為研究對象，針對不同控制策略建立仿真系統，如圖9，10所示。

圖9 常規控制策略仿真模塊

4.2 結果分析

在風速達到額定風速且系統工況穩定條件下，機組額定功率變化情況如圖8所示，仿真結果如圖11所示。

由圖11可知，在機組額定功率下降情況下，常規控制策略與改進控制策略功率跟蹤效果基本一致，不同控制策略下發電機轉速響應結果也基本一致。但相比于常規策略，改進策略能夠提前調節槳距角更好地適應機組停機并控制風輪吸收風能，有效減少機械轉矩和電磁力矩震蕩，從而更好地保證機組安全運行。

圖10 改進控制策略仿真模塊

圖11 仿真結果

5 結束語

由于風力發電波動性較大，電網對風電的接納能力有限，在國家電網公司制定的風電運行技術標準中，要求風電場能根據電網調度指令控制有功功率的輸出。風機功率通常與風速直接相關，但也可以通過外部功率參考值將功率調低。以變速恒頻風電機組為對象，研究機組處于功率參考值波動時，在常規控制策略與改進控制策略情況下的安全性和響應特性。仿真結果表明：改進控制策略可以更快調節機組出力和轉矩，為機組的安全運行提供保障。

1劉晉．雙饋風力發電系統控制策略研究[D]．北京：華北電力大學，2014.

2肖運啟，賀貫舉．大型風電機組限功率運行特性分析及其優化調度[J]．電力系統自動化，2014，38(20)：18-25.

《電力安全技術》投稿簡則

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2017-03-18。

王永耀(1971—)，男，工程師，主要從事風力發電場、光伏電站的生產技術管理工作，email：764217599@qq.com。