基于數據分析的風電機組基本控制策略研究

文 | 周世東

通常，我們對風電機組監控系統的數據分析，主要用來進行故障統計、功率曲線分析。實際上，監控系統存儲著很多機組的實時運行數據，通過對這些數據進行分析，可以確定機組的一些運行控制規律和策略。通過進一步對比分析，還能得出理論控制策略與實際控制策略的差別，以及不同廠家、不同類型機組控制策略的區別。

本文通過對Vestas公司生產的V42-600kW、屏蔽RCC降功率為300kW運行的V42機組和V80-2000kW機組運行數據的處理和分析，以及與Vestas提供的技術手冊進行對比分析得出了一些控制規律和策略。

V42-600kW機組的控制

早期Vestas公司生產的V42-600機組，采用全葉片變槳距控制，繞線轉子異步發電機通過RCC控制發電機轉差率，運行在轉速1515～1650rpm范圍內。

V42機組監控系統每30分鐘存儲一次機組的運行數據，主要包括日期、時間、風速、功率、轉速、變槳角度，數據格式為文本格式，中間以空格間隔。由于采集間隔較長，為了保證數據量的充足及便于進行比較，選取故障率低的12臺機組，其中6臺為功能完好、以額定功率600kW運行的機組，另外6臺則是由于RCC故障進行屏蔽、降功率為300kW運行的機組，以便分析V42-600kW機組的各種控制規律及RCC屏蔽后機組控制規律的變化。選取風況較好的2～3個月的運行數據，按照機組編號對數據進行整理、鏈接，濾除重復數據及故障停機的數據，最后對600kW和300kW機組的數據分別進行合并處理后導入Excel表格，形成的數據表格式如表1所示。

表1 V42機組運行數據表

圖1 V42機組的功率/風速曲線圖

再利用Excel對600kW和300kW的機組數據作X-Y散點圖。由排列組合可知，風速、功率、轉速、變槳角度可組合生成6組X-Y散點圖。對每種組合的X-Y散點圖進行分析，我們會得到一些機組的控制規律及控制參數。結合機組技術手冊提供的控制規律和技術參數進行對比驗證，得出V42機組的基本控制規律及策略如下：

一、功率控制

由功率/風速數據生成的X-Y散點圖形成的趨勢線就是我們通常所說的功率曲線，如圖1所示。SCADA系統也是利用運行數據中的功率和風速數據進行處理得出功率曲線。

從功率/風速散點圖可以看出，機組的啟動風速大約為4m/s，額定風速為15m/s，額定功率為600kW，由于采用變槳距控制，達到額定風速后，額定功率能穩定地控制在600kW。由于數據量有限，未能看出風速達到25m/s切出后的曲線。

二、變槳角度控制

變槳角度控制分兩種情況：一種是機組并網前（轉速低于1500rpm）的變槳角度控制；另一種是并網后的變槳角度控制。這兩種過程采用不同的控制方式及策略。

（一）機組并網前的變槳角度控制

根據變槳角度/轉速散點圖（如圖2）所示，葉輪轉速低于50rpm時，變槳角度控制在40o不變，以便機組獲得最大啟動扭矩。當轉速在50～500rpm之間時，變槳角度從40o向2o進行調節，并且在此轉速范圍區間變槳角度與轉速呈一線性關系變化，在變槳角度/轉速散點圖上形成一條斜線，從而保證機組以最快速度啟動。當發電機轉速在500～1500rpm之間，達到1500rpm并網轉速之前，變槳角度控制在2o不變，以便及時并入電網。當發電機轉速在1500rpm附近時，機組調節變槳角度，使轉速穩定控制在1500rpm，將發電機并入電網。在不同風速下，為了將發電機轉速控制在1500rpm，需要不斷調節變槳角度以保證恒定轉速。因此在圖2中，轉速為1500rpm時的變槳角度為一豎直的直線。

通過變槳角度/轉速散點圖（圖2）得出的機組在并網前變槳角度隨葉輪轉速變化的控制規律與手冊提供的“機組啟動時，葉輪轉速在0～500rpm范圍內，葉片角度由45o向5o減小，并保持在5o，直到轉速達到1500rpm”控制規律基本一致。以上控制參數之所以存在差異，是因為參數設置的不同。

（二）并網后的變槳角度控制

圖2 V42機組的變槳角度/轉速曲線圖

圖3 V42機組的變槳角度/功率曲線圖

根據變槳角度/功率散點圖（如圖3）所示，機組并網后、達到額定功率前，變槳角度隨功率的變化呈一條連續的曲線。變槳角度的變化范圍從并網時的2o逐漸向0o調整；功率在200kW附近，變槳角度接近0o；之后變槳角度隨功率增加而增加，達到額定功率600kW時，變槳角度接近4o，形成一條連續的光滑曲線。由此曲線可見，在達到額定功率前，機組變槳角度的控制是隨風速變化尋找最佳槳距角控制，以達到最佳出力，而非某些機組的固定槳距角或根據風速分段進行槳距角控制。達到額定功率以后，通過變槳角度的控制，使機組控制在額定功率范圍不變，但是在此范圍內變槳角度的變化隨風速的變化范圍很大，大約在4～20 o的調節范圍，在此工作區變槳角度會隨風速的變化頻繁進行調節。

三、轉速（轉差率）控制

根據功率/轉速散點圖（如圖4）所示，從并網到達到額定功率期間，功率隨轉速的變化呈線性關系，此曲線的斜率即為轉差率。功率從0kW增加到600kW期間，轉速隨之從1500rpm增加到1530rpm，此時發電機的轉差率為2%，可見從并網到功率達到額定功率之前，RCC控制發電機在2%恒定轉差率工作。

達到額定功率以后，RCC不斷實時調節轉差率，控制發電機的轉速，通過發電機轉速的變化將一部分動能儲存在傳動系統中，以平滑發電機輸出功率，減少變槳機構的調節頻率，并彌補變槳調節響應速度不足造成的功率瞬時變化及超調。這與機組手冊提供的功率/滑差曲線相一致，如圖5所示。

通過以上控制曲線可見，由于發電機轉差率的變化范圍（1%～10%）很窄，對應的轉速范圍為1515～1650rpm，因此，機組的調速范圍很窄。在額定功率以下并不隨風速變化，通過轉差率控制實時調節葉輪轉速，可以達到最佳葉尖速比。RCC只在額定功率附近調節機組轉速，起到平滑功率的作用，同時減少變槳機構調節的頻率。與目前的變槳、變速風力發電機組的控制模式和規律有很大區別。

圖4 V42機組的功率/轉速曲線圖

圖5 V42機組的滑差調節范圍

V42機組屏蔽RCC后的控制

在RCC電氣和控制單元故障的情況下，可以通過對控制系統參數的修改，屏蔽RCC的功能，并將額定功率改為300kW。通過對此類機型運行數據的分析，功率控制及變槳控制的曲線基本不變，唯一變化的就是額定功率控制在300kW。但是由于RCC屏蔽后轉速（轉差率）調節功能的喪失，使得功率/轉速曲線發生了很大變化，RCC屏蔽后300kW運行機組的功率/轉速曲線如圖6所示。

從圖中可以看出，功率隨轉速的變化呈現為一條斜線，中間沒有轉折點，可見RCC屏蔽后，RCC控制單元的IGBT處于關斷狀態，未對轉速（轉差率）進行控制調節。從圖6中曲線可以看出，當功率從0kW增加到300kW期間，轉速隨之從1500rpm增加到1575rpm，折算到600kW時的轉速為1650rpm。此時發電機的轉差率為10%，可見RCC屏蔽后，由于RCC電阻單元的作用，發電機一直工作在最大轉差率（10%）狀態。

從可變轉差率發電機原理圖（如圖7）可知，當RCC電氣單元IGBT全導通時，發電機在1%轉差率下運行，類似于鼠籠式異步發電機的轉差率。當RCC電氣單元 IGBT完全關斷時，發電機在最大轉差率（10%）下運行，通過控制IGBT的導通狀態，控制發電機轉差率在1%～10%的范圍內變化。但是，為了保證發電機能夠正常工作，電阻單元必須是完好的。否則，會引起發電機轉子過電壓時Crobar電路啟動或者造成發電機等部件絕緣損壞。RCC故障屏蔽后，保證600kW運行并不是不可能的。但是，在額定功率運行時，由于沒有RCC轉速調節平滑功率，容易引起功率超發故障。并且，發電機運行在最高轉速1650rpm，超發電后轉速繼續升高，容易引起發電機超速故障。當然，RCC故障屏蔽后，將功率參數設定到400～500kW運行，又不發生超發或超速故障是完全可能的。在電阻單元同時損壞的情況下，可將發電機轉子引出線用銅排短接，并屏蔽RCC運行。此時發電機在1%的最小轉差率下運行，類似于鼠籠式發電機的運行狀態。如果在額定功率下運行，不會發生超速故障，但仍會發生功率超發現象。

V80-2000機組的控制

V80機組是采用雙饋發電機，變槳、變速控制的風力發電機組。機組主要技術參數為：額定轉速1680rpm，啟動風速4m/s，額定風速15m/s，額定功率2000kW。

圖6 V42機組屏蔽RCC后的功率/轉速曲線圖

圖7 可變轉差率發電機電氣原理圖

機組在并網前的控制策略與V42機組基本相同，只是一些控制參數稍有變化；但是，由于V80機組是變槳變速機組，在并網后的控制策略與V42機組的可變轉差率控制相比大有不同。

一、機組并網前轉速控制

在機組啟動并網前，變槳角度隨發電機轉速變化散點如圖8所示。當發電機轉速在250rpm以下時，變槳角度控制在固定的32°，以獲得最大的啟動力矩。當發電機轉速達到并網轉速（250～1250rpm）之前，機組不斷減小變槳角度，直到達到并網轉速1250rpm。

二、機組在部分功率下的轉速控制

當風速在切入風速與額定風速之間、機組工作在額定功率之下時，機組將被控制在最高的發電效率上。機組的部分功率控制，按照風速范圍將分為3個風速階段。如圖9的轉速/風速曲線所示。

（一）工作在啟動風速范圍階段

在這個風速階段，發電機轉速控制在并網轉速1250rpm，以保證發電機的正常并網發電。此階段風速范圍為 4 ～ 6m/s。

圖8 變槳角度/發電機轉速曲線圖

圖9 V80的機組轉速/風速曲線圖

（二）工作在最高風能轉化效率階段

在這個風速階段，發電機轉速與風速呈正比例變化，以保證葉輪獲得最高的風能轉化效率。此階段風速范圍為 6 ～ 10m/s。

（三）工作在額定轉速階段

當風速大于10m/s，機組工作在額定轉速1680rpm，由于陣風的影響，轉速會在額定點附近變化。

從轉速/功率曲線可以看出，由于機組的工作轉速范圍（1250 ～1680rpm）較小，因此，不可能在整個部分功率風速范圍（4 ～5m/s）內都保證葉輪有最高轉化效率，只能在中間段（6 ～10m/s）內保證葉輪有最高轉化效率。

三、機組在額定功率下的轉速控制

當風速大于額定風速、小于切出風速（15 ～25m/s）前，通過變槳角度控制機組在額定功率發電，此時的發電機轉速仍然工作在額定轉速。

通過以上分析，V80機組的轉速變化范圍為1250～1680rpm，比V42要寬很多，其較寬的轉速范圍控制用于低風速下，以保證最高的風能轉化效率。而V42機組的轉速變化范圍為1515～1650rpm，僅用于控制機組在額定功率段平滑功率輸出。由于被分析的V80機組沒有采用星-三角切換，因此，其部分功率控制的轉速和風速范圍存在較大差異。并且其轉速變化范圍也較有星-三角切換的機組要小很多。

結語

本文通過對V42-600kW、屏蔽RCC降功率300kW運行的V42機組和V80-2000kW機組運行數據的處理和分析，得出機組在變槳角度、功率、轉速隨風速變化的一些控制規律和策略，以及這幾種機型控制上的差異。如在機組上加裝扭矩傳感器等，對以上數據和發電量等數據進行實時采集分析，會得到機組功率控制、扭矩控制、轉速控制等更準確及詳細的控制規律及策略。