兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的功率曲線優(yōu)化策略

馬靖聰

（大連尚佳新能源科技有限公司，遼寧 大連116000）

1 功率曲線優(yōu)化原理

在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)將葉片吸收的風(fēng)能，經(jīng)齒輪箱、傳動(dòng)軸和發(fā)電機(jī)等機(jī)械部件的損耗，將得到的能量轉(zhuǎn)化為電能輸送到電網(wǎng)。而單機(jī)容量加大，兆瓦級(jí)機(jī)組葉片也隨之加大，此時(shí)葉輪的質(zhì)量就不能忽視。在風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，面臨風(fēng)速的變化性大的特點(diǎn)，因?yàn)槿~輪質(zhì)量大，就存在較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能及時(shí)跟蹤風(fēng)速變化，因此考慮葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的因素，對(duì)于更精確的追蹤風(fēng)能而言是必要的[2]。

目前老舊機(jī)組的功率曲線不能達(dá)到機(jī)組設(shè)計(jì)初期保證值，主要表現(xiàn)在原有控制程序算法中, 低風(fēng)速階段槳距角沒有實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制，低風(fēng)速和高風(fēng)速兩個(gè)轉(zhuǎn)速控制階段控制響應(yīng)速度不夠優(yōu)化，導(dǎo)致在各個(gè)風(fēng)速區(qū)間測(cè)量發(fā)電量與保證發(fā)電量差別較大。在主控程序控制算法方面主要從以上兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。另外，主控PLC 軟件的設(shè)置參數(shù)和設(shè)備選型往往采用默認(rèn)參數(shù)，沒有針對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)做精確校準(zhǔn),導(dǎo)致長(zhǎng)期的發(fā)電量損失。此外，主控PLC 軟件控制參數(shù)也有需要重新調(diào)整的地方，比如某臺(tái)1.5MW 風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是1800rpm，但是該風(fēng)機(jī)由于參數(shù)設(shè)置問題，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)高風(fēng)速時(shí)轉(zhuǎn)速無(wú)法達(dá)到1800rpm，風(fēng)機(jī)發(fā)電功率不能達(dá)到1.5MW，這就會(huì)嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的發(fā)電量。

風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制系數(shù)與空氣密度直接相關(guān)，由于每臺(tái)風(fēng)機(jī)所處的地理位置不同，海拔高度和環(huán)境溫度會(huì)對(duì)空氣密度產(chǎn)生較大的影響，為了在各種環(huán)境情況下保證風(fēng)機(jī)的可利用率Cp處于最佳功率曲線上，需要根據(jù)環(huán)境溫度和海拔高度計(jì)算出空氣密度，再使用當(dāng)前葉片角度實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)矩系數(shù)。此外，在高風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)需要切除運(yùn)行，目前設(shè)置的重新工作風(fēng)速較低，造成很大一段高風(fēng)速區(qū)間內(nèi)風(fēng)機(jī)不運(yùn)行，因此，風(fēng)機(jī)的切入切出風(fēng)速也需要優(yōu)化設(shè)置。由于風(fēng)速突變、三個(gè)槳葉受力不均等原因，會(huì)引起風(fēng)機(jī)塔筒振動(dòng)，對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電量和安全運(yùn)行造成不利影響。因此，需要在風(fēng)機(jī)變槳控制中加入自動(dòng)阻尼控制策略，減小風(fēng)機(jī)振動(dòng)，延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)壽命并提高發(fā)電量[1]。針對(duì)以上問題，本文將提出幾種算法對(duì)老舊機(jī)組進(jìn)行改進(jìn)。

2 最優(yōu)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速運(yùn)行控制

其中葉輪最優(yōu)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：Tr=K*W^2，其中Tr 為葉輪最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，W 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,K 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速控制方法中最優(yōu)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：Te=K'*Tr,Te 為葉輪最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，K'為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化效率。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速控制方法中在主控系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，按對(duì)應(yīng)的表格對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)距進(jìn)行設(shè)定，使發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距實(shí)時(shí)跟蹤控制程序中的設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)在低于額定風(fēng)速下的最大功率跟蹤。查表控制是廣泛采用的控制方法，控制比較容易實(shí)現(xiàn)，但是控制響應(yīng)慢，精度低。而且在風(fēng)頻變化較快時(shí)候，容易產(chǎn)生偏差，并引起機(jī)組的振動(dòng)。在控制過(guò)程中，其轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速曲線要盡可能在最佳Cp 曲線上，達(dá)到這種要求的曲線就可以稱之為先進(jìn)的控制算法。

先進(jìn)的控制算法指的是首先通過(guò)特殊的變槳控制算法，使風(fēng)機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速曲線從不好的運(yùn)行區(qū)間調(diào)整到更優(yōu)秀的運(yùn)行區(qū)間；然后適當(dāng)拓展發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，讓風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比的風(fēng)速區(qū)間增加。

當(dāng)環(huán)境溫度很高的時(shí)候，超出齒輪箱的冷卻系統(tǒng)極限能力后，風(fēng)機(jī)進(jìn)入限功率狀態(tài)。老舊機(jī)組的限功率方案是維持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在1800rpm,降低發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，但是齒輪箱的產(chǎn)熱量和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系比較大，這樣風(fēng)機(jī)的輸出功率很快就穩(wěn)定在400KW 左右；文中的限功率方案為同時(shí)降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，這樣齒輪箱的產(chǎn)熱量就比之前的方案要少，風(fēng)機(jī)可以發(fā)出更多的電能[3]。

3 變槳雙PI 控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制

兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要通過(guò)PLC 控制器來(lái)對(duì)機(jī)組進(jìn)行控制，主控PLC 軟件功率控制功能塊采用了轉(zhuǎn)矩控制和變槳控制相耦合的方式。通常來(lái)講，在風(fēng)速遠(yuǎn)小于額定風(fēng)速以下時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制以維持最佳葉尖速比，以追求最大風(fēng)能利用系數(shù)；在額定風(fēng)速以上拐點(diǎn)處，如果風(fēng)速波動(dòng)很大，就要通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儤獊?lái)實(shí)現(xiàn)平滑的過(guò)渡[4]。當(dāng)風(fēng)速滿足風(fēng)電機(jī)組可以輸出全部出力的時(shí)候，轉(zhuǎn)速控制環(huán)和變槳控制環(huán)會(huì)同時(shí)發(fā)揮作用，通過(guò)兩者的協(xié)調(diào)控制保持轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的最終恒定運(yùn)行，這也就可以使得機(jī)組可以輸出恒定的功率。在風(fēng)速不能達(dá)到機(jī)組滿載運(yùn)行的時(shí)候，主控PLC 會(huì)通過(guò)不停地控制變槳變頻器來(lái)控制葉片的角度，從而使得機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速間接得到控制，最終達(dá)到我們想要的轉(zhuǎn)速跟蹤效果，這種控制方式其實(shí)也被叫做雙PI 控制方法，是由兩個(gè)簡(jiǎn)單的PI 環(huán)節(jié)組成。但是額定風(fēng)速以上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型的強(qiáng)烈非線性使得控制器參數(shù)選擇比較困難，需要特別設(shè)計(jì)。在機(jī)組發(fā)電運(yùn)行當(dāng)中速度控制器和槳葉角度控制器是同時(shí)運(yùn)行的，為了使這兩個(gè)控制器能夠完美的耦合在一起，當(dāng)自然風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)額定風(fēng)速或遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定風(fēng)速時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)使兩個(gè)控制環(huán)當(dāng)中的一個(gè)環(huán)達(dá)到飽和狀態(tài)。也就是說(shuō)，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的大多數(shù)時(shí)間里還是只有一個(gè)控制器處于激活狀態(tài)的，這種狀態(tài)可以持續(xù)到當(dāng)機(jī)組運(yùn)行到接近額定轉(zhuǎn)速的時(shí)刻，這個(gè)時(shí)候可以考慮建立相互作用的雙環(huán)控制，用來(lái)達(dá)到平順的過(guò)渡。

變槳的雙PI 控制結(jié)構(gòu)在變槳轉(zhuǎn)速PI 控制中，輸入?yún)?shù)為發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速以及目標(biāo)轉(zhuǎn)速，輸出為變槳角度指令Ⅰ；在變槳轉(zhuǎn)矩PI 控制，輸入為實(shí)際功率（轉(zhuǎn)矩）和目標(biāo)功率（轉(zhuǎn)矩）輸出為變槳角度指令Ⅱ。變槳角度指令Ⅰ和變槳角度指令Ⅱ相加為最終變槳角度輸指令。采用轉(zhuǎn)速雙PI 控制，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速曲線最優(yōu)Cp 曲線，在處于最佳Cp 曲線上時(shí)，讓風(fēng)機(jī)能在更大的功率范圍內(nèi)跟蹤最佳Cp 曲線，優(yōu)化了機(jī)組的功率曲線，從而獲得更多的發(fā)電量。

4 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償

風(fēng)機(jī)通過(guò)葉片所吸收的風(fēng)能Ei，通過(guò)齒輪箱、傳動(dòng)軸等機(jī)械部件損耗Em，以及發(fā)電機(jī)等電氣部件等的損耗Ee，最終得到的能量Eg 轉(zhuǎn)化為電能輸送到電網(wǎng)。公式為：Eg=Ei-Em-Ee。隨著單機(jī)容量不斷的加大，兆瓦級(jí)機(jī)組的葉片也在不斷加大，葉輪的質(zhì)量就不能忽視。實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)速的變化性非常大，但是由于葉輪較大的質(zhì)量，存在較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不可能很快的跟蹤風(fēng)速的變化，因此考慮葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的因素，對(duì)于更精確的追蹤風(fēng)能是更為有利的，公式就轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

Eg=Ei-Em-Ee-（I*ω^2）/2，其中ω 為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。

以上能量關(guān)系體現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩控制上，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：

Torque_generator=Torque_rotor-Torque_loss-Iω'。 其 中 ，Torque_generator 為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，Torque_rotor 為風(fēng)輪獲得的轉(zhuǎn)矩，Torque_loss 為機(jī)械損耗轉(zhuǎn)矩，ω'為風(fēng)輪加速度。由之前公式可見，在考慮風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩之間存在一定的差異，在風(fēng)機(jī)控制上，是通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，但是實(shí)際受控的是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。因此，考慮到葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量造成的轉(zhuǎn)矩誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的轉(zhuǎn)矩控制以及更快速的響應(yīng)風(fēng)速變化，從而提高發(fā)電量。

當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速需要響應(yīng)升高以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。在不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的情況下，采用原有控制策略，需要約30s 時(shí)間風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩才能達(dá)到穩(wěn)定。在控制中加入轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償之后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩先下降，以利于轉(zhuǎn)速更快升高，可見20s 之后風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩即可以達(dá)到穩(wěn)定，比原控制方案響應(yīng)時(shí)間縮短10s，從而能夠更快響應(yīng)風(fēng)速的變化，盡快進(jìn)入最大風(fēng)能跟蹤狀態(tài)，提高發(fā)電量。

5 結(jié)論

本文主要針對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，在對(duì)PLC 軟件控制環(huán)節(jié)進(jìn)行以上幾點(diǎn)優(yōu)化后，可以使得機(jī)組的涉及轉(zhuǎn)速參數(shù)的響應(yīng)得到了明顯的提升，這也就為老舊機(jī)組的控制策略更新提供了建設(shè)性的思路。