雙饋風力發電機功率管理控制算法研究

孟新光 邵勤豐

摘 要：隨著風電發電在電網中比例的提高，要求各個風力發電場具備功率管理功能。風電場接受電網調度的有功功率指令，分配下發給各個風機，各個風機根據下發的功率管理指令，穩定快速準確的調節風機有功功率輸出。本文對如何提高單臺風機快速穩定響應調度指令進行研究。提出一種利用率較高，穩定，快速的一種方法。經過長時間現場應用，運行效果良好。

關鍵詞：風力發電機;功率管理

0.前言

目前功率控制技術中多采用調節扭矩的方式來實現功率輸出的調節。該方法雖然實現起來簡單，但在風況在中等以上時，降低扭矩增加了變槳系統的負擔，并且增大了風力發電機超速停機的可能性。因為在風況在中等以上的情況下，風力發電機工作在額定轉速下，降低扭矩的阻力，風力發電機轉速受風的影響增大，要控制好轉速，則變槳系統工作負擔加重，并且在湍流風的影響下，風力發電機超速停機的可能性也增加。

本文介紹一種風機單機有功功率管理的控制策略，實現穩定、快速調節有功功率輸出。主要特點是：最優穩態工作點的計算;風機調節穩態工作點的方法。其中穩態工作點的計算采用了保持風機控制策略算法的完備性的情況下，計算出最優的穩態工作點;率管理的調節范圍從0到額定功率;綜合考慮風機葉片、風機變槳系統和變流器系統的工作性能;穩態工作點的調節方式，設定轉速采用加速度的方法進行調節，設定轉矩以恒定速度進行調節。

1.雙饋風力發電機主控制算法

雙饋風力發電機主控制算法常見的有兩種，圖1中的A-B1-C1-E和A-B-C-E，其中A-B-C-E為早期算法，稱查表發，風機在正常發電狀態時，有兩個運行環節，轉矩查表控制和變槳控制。轉矩查表環節發生在額定風速以下階段，槳葉完全打開，主控根據實時的轉速查表得到發電機轉矩值。變槳控制環節發生在額定風速以上，發電機轉矩為額定轉矩，通過變槳系統調節能量捕獲控制發電機轉速保持在額定轉速。

A-B1-C1-E為轉矩雙PI控制算法。風速在額定風速以下時，A-B1和C1-E兩個階段是通過轉矩PI控制發電機轉速保持在恒定轉速。B1-C1為轉矩查表法。風速大于額定風速，依然是變槳控制環節。

2.工作點的計算

常規的大功率風力發電機，通常采用3個槳葉。每種翼型的槳葉都有一個最優風速功率曲線，如圖1中農紅色的曲線。當發電機轉速和發電機轉矩對應點落在這條曲線上時，風能的利用率達到最高。當風機處于功率控制狀態時，設定轉速和設定轉矩不能落在這條曲線上時，并且此時捕獲的功率小于設定功率時，就不能達到風能利用率的最大化。因此在功率管理工作點的計算時需要根據風機接受到的有功功率值，結合風機葉片翼型的最優Cp曲線計算相應的最優穩態工作點，計算出相應的設定轉速值和設定轉矩值。這樣就保證了即使風機工作在功率管理的狀態下，依然可以保證風速對應功率小于功率管理給定功率的工況時，風機依然保持最優Cp，能量捕獲和轉換的效率最高。

圖 1

因為雙饋風力發電機的變流器有最小工作轉速，因此在風機實際運行中采用的工作線路是A-B1-C1-E或者A-B-C-E。因此在的功率管理時，計算新的穩態工作點要根據風電場下發給風機的有功功率指令在A-B1-C1-E曲線或者A-B-C-E曲線上面找，這樣就保證了在工況到達穩態工作點之前時，風機依然保持和非功率管理情況下同樣的工作狀態。點的計算以X軸為轉速，Y軸為轉矩，因此每個點都唯一對應一個有功功率值，一個有功功率設定值也唯一對應一組設定轉速和設定轉矩值。功率管理設定值的范圍從0kw到額定功率。

3.快速平穩的動態調節

當處于功率管理狀態時，風力發電機組接受到新的功率管理設定值時，快速調節風機的穩態工作點，根據不同工作狀態，調節風機穩態工作點方式不盡相同，必須結合考慮風機的平穩運行，再確定調節設定轉速和設定轉矩的方式，再綜合考慮風機變槳系統和變流器系統的響應能力，以平穩且最優的調節速率調節設定轉速值和設定轉矩值。

根據穩定工作點計算出相應的設定目標轉速值值V目 和設定目標轉矩值Q目 。對風力發電機進行調節;所述調節的方式分兩部分：設定轉速調節和設定轉矩調節。

設定轉速調節具體是指：設定一設定轉速V設 ，在控制周期內分別與風力發電機的實際轉速值V實 和設定目標轉速值V目 相對比;當設定目標轉速值V目 與設定轉速值V設 的差的絕對值大于100，則判斷設定轉速值V設與發電機的實際轉速值V實的差值。當設定轉速值V設與發電機的實際轉速值的差值滿足? ? ? ? ? ? ? ? ?，t表示調節周期。則下一控制

周期內設定轉速值V′設 改變，即? ? ? ? ? ? ? ? 。當? ? ? ? ? ? ? ?，則下一控制周期內設定轉速值設V′設 不變，即V′設=V設 。等待發電機實際轉速值V實 上升或下降至V′設 ，然后繼續增加或減小設定轉速值V設 ，直至設定轉速值V設 接近設定目標轉速值V目 ，即滿足

│V目-V實│≤100 。當│V設-V實│<10 則下一控制周期內設定轉速值V″設=V設±10 ，當│V設-V實│≥10 則下一控制周期內設定轉速值V″設=V設。等待發電機實際轉速值V實 上升或下降至V″設 ，然后繼續增加或減小設定轉速值V設 ，直至設定轉速值V設與設定目標轉速值V目 相等，然后將發電機實際轉速值V實 上升或下降至V目 。

設定轉矩調節具體是指：在每個控制周期內以一個固定值Qα 進行調節，直至發電機實際轉矩值Q實 與設定目標轉矩值Q目 相等;所述固定值

，t表示調節周期，Q額 表示發電機的額定轉矩。

降功率時采用同樣的方法，反之即可。

圖 2

以1.5MW雙饋型風力發電機為例。額定轉矩為8469N.M。以300N.M/s的速度進行調節。無論是升功率還是降功率都以300N.N/s 的速率調節。這樣保證了最大的調節周期在30秒以內。

圖 3

4運行效果

目前此方法已在風力發電場現場使用中，運行效果良好，如圖3所示。其中備有3為功率管理的設定功率值。從圖可以看到，風機有功功率值跟隨有功功率設定值跟隨的快速準確。

5結論

在實際的應用中，此方法可以實現穩定快速的功率調節響應。未來需要進一步研究的方向：精確最優工作點計算的，需要考慮海拔、溫度、氣壓等因素的影響;設定目標值的調節采用完全閉環PID調節;當設定轉速和轉矩不再是額定轉速和轉矩時，整機運行算法參數的整定。

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