新型風(fēng)電機(jī)組的差動(dòng)調(diào)速功率控制方法研究

蘇 睿，李剛俊，黃楊森

（1.成都工業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 成都 611730；2.中國東方電氣集團(tuán)有限公司，四川 成都 611731）

0 引言

常見的兆瓦級(jí)主流風(fēng)電機(jī)組主要包括雙饋機(jī)組和永磁直驅(qū)機(jī)組。兆瓦級(jí)機(jī)組利用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行。但是，此類采用電力電子設(shè)備調(diào)速的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多問題，如無功功耗大、電流諧波成分高、專用發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]。在此背景下，一些學(xué)者提出了風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈采用無級(jí)調(diào)速的方案，其設(shè)計(jì)思想為，基于差動(dòng)輪系的二自由度特性，利用調(diào)速電機(jī)改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，且傳動(dòng)鏈末端采用同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)定子直聯(lián)電網(wǎng)，故電網(wǎng)頻率鎖定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，無需變頻器即可向電網(wǎng)輸入恒頻電能。

Mangialardi L[2]首次提出了采用差動(dòng)輪系傳動(dòng)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速的電驅(qū)差動(dòng)風(fēng)電機(jī)組初步方案，并開展了可行性方面的研究。Idan M[3]采用調(diào)速電機(jī)與多個(gè)差動(dòng)輪系組成的電驅(qū)差動(dòng)風(fēng)電機(jī)組方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)調(diào)速需求，但設(shè)備數(shù)量過多、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，未能解決能耗與成本偏高的問題。穆安樂[4]對風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系進(jìn)行了研究，建立了伺服電機(jī)相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化模型，深入分析了各軸轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系。Freeman J B[5]采用模型參考自適應(yīng)控制對該類機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)策略進(jìn)行了研究。Zhang T[6]針對機(jī)組的功率、效率等進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)通過神經(jīng)反步控制可實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的發(fā)電效能。陳垚[7]對此類機(jī)組進(jìn)行了控制策略方面的研究，主要包括基于Bladed的齒輪箱二次開發(fā)、永磁電機(jī)的變速策略。

以上相關(guān)研究多從轉(zhuǎn)速匹配等運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析新型風(fēng)電機(jī)組的無級(jí)變速原理，但尚未針對該類型機(jī)組的功率控制方法進(jìn)行深入探索，不利于該類機(jī)組設(shè)計(jì)理論體系的完善以及后續(xù)的實(shí)際工程應(yīng)用。鑒于此，本文提出了新型風(fēng)電機(jī)組的差動(dòng)調(diào)速功率控制方法，并在低于額定風(fēng)速和高于額定風(fēng)速兩種工況下，對不同的控制過程進(jìn)行了分析。組建了1.5 MW的該類新型風(fēng)電機(jī)組Simulink模型，并在不同風(fēng)速下進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證該功率控制方法的有效性。

1 機(jī)組運(yùn)行原理

新型風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈主要包括風(fēng)輪、增速箱、差動(dòng)輪系、調(diào)速電機(jī)和并網(wǎng)的同步發(fā)電機(jī)等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型風(fēng)電機(jī)組示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind turbine

差動(dòng)輪系基本構(gòu)件齒圈轉(zhuǎn)速NR、輪架轉(zhuǎn)速NC以及太陽輪轉(zhuǎn)速NS具有下述確定關(guān)系。

式中：f為電網(wǎng)頻率，50 Hz或60 Hz；p為同步發(fā)電機(jī)極對數(shù)。

綜上所述，在差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，可通過改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。

2 差動(dòng)調(diào)速功率控制方法

雙饋和直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組通過變頻器改變風(fēng)能利用率Cp來調(diào)節(jié)機(jī)組功率，而新型風(fēng)電機(jī)組通過傳動(dòng)鏈的差動(dòng)調(diào)速實(shí)現(xiàn)功率控制，降低了大功率變頻器對電能質(zhì)量的負(fù)面影響，提升了機(jī)組可靠性，降低了整機(jī)成本。在額定風(fēng)速以下時(shí)，通過差動(dòng)調(diào)速使風(fēng)輪盡可能多地獲得功率；在額定風(fēng)速以上時(shí)，通過差動(dòng)調(diào)速使風(fēng)輪獲得的功率穩(wěn)定在機(jī)組額定容量。風(fēng)功率Pwind與風(fēng)輪吸收功率Protor的關(guān)系為

式中：C1=0.73；C2=151；C3=0.58；C4=0.002；C5=2.14；C6=13.2；C7=18.4；C8=-0.02；C9=-0.003。

2.1 低于額定風(fēng)速的差動(dòng)調(diào)速功率控制

風(fēng)功率部分轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪機(jī)械功率，該功率為機(jī)組傳動(dòng)鏈的輸入總功率。當(dāng)風(fēng)速V等于額定風(fēng)速時(shí)，同步發(fā)電機(jī)以額定狀態(tài)運(yùn)行；當(dāng)V低于額定風(fēng)速時(shí)，輸入總功率低于同步發(fā)電機(jī)功率額定值。對于新型風(fēng)電機(jī)組，應(yīng)通過差動(dòng)調(diào)速以調(diào)節(jié)傳動(dòng)鏈各軸匹配轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)λ實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪傳遞功率最大化。此時(shí)β應(yīng)保持為0°，則Cp與λ的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 β=0°時(shí)，Cp與λ的關(guān)系曲線Fig.2 The relationship between Cp andλwhileβ=0 °

為使Cp保持最大值，則機(jī)組應(yīng)運(yùn)行在圖2所示點(diǎn)A的狀態(tài)，差動(dòng)調(diào)速的最終目標(biāo)為達(dá)到A點(diǎn)所對應(yīng)的λ。λ與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速Nrotor的關(guān)系為

式中：R為風(fēng)輪轉(zhuǎn)子半徑。

新型風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈參數(shù)設(shè)置如下：R為30 m；定軸齒箱傳動(dòng)比為80；差動(dòng)輪系齒圈與太陽輪齒數(shù)比u為2；調(diào)速電機(jī)軸上齒輪齒數(shù)與齒圈內(nèi)齒數(shù)相等；同步發(fā)電機(jī)額定功率為1.5 MW，額定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。

確定額定風(fēng)速：當(dāng)Cp為A點(diǎn)對應(yīng)的值0.43時(shí)，此時(shí)機(jī)組功率為發(fā)電機(jī)額定值，風(fēng)速則等于額定風(fēng)速值，按式（3）計(jì)算得到額定風(fēng)速為12.7 m/s。

由圖2可知，峰值A(chǔ)點(diǎn)的橫坐標(biāo)λ為7.3。風(fēng)速V取不同值且均低于額定風(fēng)速值時(shí)，機(jī)組應(yīng)以最大Cp值為控制目標(biāo)。針對風(fēng)速分別為9，10，11 m/s時(shí)，按式（4）計(jì)算得到λ、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)，并按式（1）計(jì)算得到用于傳動(dòng)鏈差動(dòng)調(diào)速的調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速值（表1）。

表1 低于額定風(fēng)速時(shí)，不同風(fēng)速下主要參數(shù)理想值Table 1 The ideal value of main parameters under different wind speeds below the rated wind

2.2 高于額定風(fēng)速的差動(dòng)調(diào)速功率控制

當(dāng)V高于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪輸入瞬時(shí)功率高于同步發(fā)電機(jī)功率額定值，對于新型風(fēng)電機(jī)組，應(yīng)通過差動(dòng)調(diào)速以調(diào)節(jié)傳動(dòng)鏈各軸匹配轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)λ以減少輸入功率，保持風(fēng)輪輸入功率穩(wěn)定在機(jī)組額定功率值附近。

圖3為槳距角分別為β1，β2，β3時(shí)的Cp-λ曲線。其中β1=0°，且β1＜β2＜β3，圖中各點(diǎn)坐標(biāo)分別為A（λA，Cp1），B（λB，Cp2），C（λC，Cp2），D（λD，Cp2）。

圖3 槳距角分別為β1，β2，β3時(shí)的Cp-λ曲線Fig.3 The curve of Cp-λwhile the pitch angle equals to the β1，β2，β3 respectively

當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，變槳機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，β等于0°，風(fēng)能利用率等于Cp1，機(jī)組以圖3所示A點(diǎn)對應(yīng)參數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)風(fēng)速突增，并超過額定風(fēng)速時(shí)，機(jī)組瞬時(shí)功率亦增加且超過功率額定值，故需將風(fēng)能利用率降低。分析圖3曲線，可采用以下3種措施降低Cp。

措施1：變槳機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，β1始終等于0°，通過差動(dòng)調(diào)速調(diào)節(jié)傳動(dòng)鏈各軸轉(zhuǎn)速，風(fēng)輪始終沿著圖3中A點(diǎn)所在曲線運(yùn)行，并由A點(diǎn)運(yùn)行至B點(diǎn)，λ亦降低至λB。

措施2：變槳機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作，β增大為β3，同時(shí)，通過差動(dòng)調(diào)速調(diào)節(jié)傳動(dòng)鏈各軸轉(zhuǎn)速，風(fēng)輪由圖3中的β1對應(yīng)曲線逐漸運(yùn)行至β3對應(yīng)曲線，即由β點(diǎn)運(yùn)行至B點(diǎn)，λ亦降低至λD。

措施3：變槳機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作，β增至[β1，β3]區(qū)間的某值β2。通過差動(dòng)調(diào)速調(diào)節(jié)傳動(dòng)鏈各軸轉(zhuǎn)速，風(fēng)輪由圖3中的β1對應(yīng)曲線逐漸運(yùn)行至β2對應(yīng)曲線，即由A點(diǎn)運(yùn)行至C點(diǎn)，λ由λA減小為λC。

以上措施最終均能降低Cp，措施1中β不動(dòng)作，在較短時(shí)間內(nèi)，針對大慣量風(fēng)輪，通過差動(dòng)調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，需配備高性能的調(diào)速系統(tǒng)。措施2，3中變槳和差動(dòng)調(diào)速同時(shí)進(jìn)行，響應(yīng)時(shí)間較短。措施2是措施3的極致情況，故通過措施2，3，機(jī)組最終運(yùn)行在β大于零的某曲線上。

V取不同值且均高于額定風(fēng)速時(shí)，機(jī)組應(yīng)以降低Cp值為控制目標(biāo)。針對14，15 m/s和16 m/s等不同風(fēng)速，按式（4）計(jì)算得到λ、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等運(yùn)行參數(shù)；并按式（1）計(jì)算得到用于傳動(dòng)鏈差動(dòng)調(diào)速的調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速值（表2）。

表2 高于額定風(fēng)速時(shí)，不同風(fēng)速下的主要參數(shù)理想值Table 2 The ideal value of main parameters under different wind speeds exceed the rated wind

表2中λ，β、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速用區(qū)間的形式表示。按措施1計(jì)算得到區(qū)間左端點(diǎn)（圖3中B點(diǎn)）理想值；按措施2計(jì)算得到區(qū)間右端點(diǎn)（圖3中D點(diǎn)）理想值，而最終穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)值應(yīng)屬于對應(yīng)區(qū)間。

3 仿真

在Simulink環(huán)境下搭建差動(dòng)調(diào)速風(fēng)電系統(tǒng)模型，其中同步發(fā)電機(jī)、調(diào)速電機(jī)、差動(dòng)輪系為軟件自帶模塊，并為其設(shè)計(jì)變槳風(fēng)輪模塊[9]，[10]。模型輸入分別為9，11，14 m/s和16 m/s 4種風(fēng)速分段階躍，形成階躍風(fēng)速，每階躍段歷時(shí)10 s，仿真歷時(shí)40 s，如圖4所示。仿真結(jié)果如圖5～9所示。

圖4 階躍風(fēng)速Fig.4 The step wind

圖5 槳距角Fig.5 The pitch angle

圖6 λFig.6 The tip speed ratio

圖7 CpFig.7 The utilization of wind energy

圖8 風(fēng)輪、調(diào)速電機(jī)、同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速Fig.8 The rotate speed of wind rotor，speed regulating motor and synchronous generator

圖9 風(fēng)輪功率和同步發(fā)電機(jī)功率Fig.9 The power of wind rotor and synchronous generator

圖4中，額定風(fēng)速值為12.7 m/s，高于9 m/s和11 m/s的風(fēng)速階躍段，低于14 m/s和16 m/s的風(fēng)速階躍段。由圖4～9可知：在5～10 s時(shí)，以風(fēng)速9 m/s作為輸入，低于額定風(fēng)速，β保持0°，λ為7.2，Cp為0.45，風(fēng)輪吸收的功率為500 kW，系統(tǒng)運(yùn)行在圖2所示的A點(diǎn)附近；第10秒時(shí)，風(fēng)速發(fā)生突變，階躍至11 m/s，差動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)開始動(dòng)作，但大慣量風(fēng)輪轉(zhuǎn)速改變較慢，在風(fēng)速突變的情況下，λ驟然減小，Cp瞬時(shí)降低，如圖2所示，但經(jīng)過歷時(shí)5 s的差動(dòng)調(diào)速，機(jī)組再次以A點(diǎn)狀態(tài)運(yùn)行，此時(shí)機(jī)組輸入功率為1 MW；第20秒時(shí)，風(fēng)速再次發(fā)生突變，階躍至14 m/s，風(fēng)輪吸收的風(fēng)功率大于機(jī)組額定功率值，故按照措施3變槳機(jī)構(gòu)動(dòng)作，同時(shí)差動(dòng)調(diào)速，β歷時(shí)3 s由0°增至3.5°，差動(dòng)調(diào)速中的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也由2 000 r/min提升至2 100 r/min，最終使風(fēng)輪運(yùn)行在圖3所示曲線的C點(diǎn)，機(jī)組功率也穩(wěn)定至1.5 MW；第30秒時(shí)，風(fēng)速再次發(fā)生突變，階躍至16 m/s，機(jī)組功率發(fā)生突變，通過增加β至3.7°，同時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，機(jī)組功率再次降低至1.5 MW。

圖5～9中仿真開始至第5秒為載荷輸入、機(jī)組系統(tǒng)啟動(dòng)階段，參數(shù)不穩(wěn)定，故以第5秒至仿真結(jié)束的參數(shù)變化作為重點(diǎn)分析曲線。

4 結(jié)論

新型風(fēng)電機(jī)組的差動(dòng)調(diào)速實(shí)現(xiàn)功率控制的方法為低于額定風(fēng)速時(shí)，通過差動(dòng)調(diào)速調(diào)節(jié)傳動(dòng)鏈各軸匹配轉(zhuǎn)速，以間接增大Cp，實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪功率最大化；高于額定風(fēng)速時(shí)，同時(shí)開始變槳和差動(dòng)調(diào)速，以間接降低Cp，從而降低機(jī)組功率至額定值。具體結(jié)論如下。

①結(jié)合Cp與β和λ的關(guān)系，針對1.5 MW新型風(fēng)電機(jī)組，對低于和高于額定風(fēng)速12.7 m/s兩種工況的控制方法進(jìn)行了研究，并計(jì)算了理想情況下，6種不同風(fēng)速9，10，11，14，15 m/s和16 m/s時(shí)與同步發(fā)電機(jī)、調(diào)速電機(jī)、風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速匹配值，以及風(fēng)輪吸收的功率值。

②在Simulink環(huán)境中，以9，11，14 m/s和16 m/s 4分段階躍風(fēng)速作為輸入，λ，Cp，β、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)的仿真結(jié)果與計(jì)算理想值相符，驗(yàn)證了利用差動(dòng)調(diào)速的方法對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行功率控制具有原理可行性。