風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的恒功率控制算法研究

摘 要：功率控制算法是整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組核心的控制算法，是保證風(fēng)機(jī)能正常穩(wěn)定并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵算法之一。本文討論了在低、中風(fēng)速區(qū)間通過調(diào)節(jié)扭矩，在高風(fēng)速區(qū)間通過使用變槳控制來實現(xiàn)恒功率控制，并通過模型仿真來驗證這一策略的可行性。實驗證明通過對各風(fēng)速區(qū)間實施不同的功率控制方法可以實現(xiàn)恒功率控制，以達(dá)到風(fēng)能的最大利用化。

關(guān)鍵詞：恒功率控制；PI；轉(zhuǎn)速；扭矩

1 概述

近年來，化石能源的日趨枯竭和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染引起了全世界的廣泛關(guān)注，許多國家投入大量資金和人力進(jìn)行新能源的開發(fā)，而其中風(fēng)能作為清潔能源的代表，因其具備大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的潛能而備受矚目。由于風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量大幅增加，因此如何能提高風(fēng)能的利用率顯得尤為的重要。由于風(fēng)能的隨機(jī)不確定性以及風(fēng)輪機(jī)自身特性使風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等隨風(fēng)速變化而波動，降低了風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率和輸出電能質(zhì)量[1]。因此本文將針對各風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)能特點通過不同的控制策略[2]來實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的恒功率控制，以能最大的捕獲風(fēng)能[3]。

2恒功率控制算法總述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用發(fā)電機(jī)及其空隙中可以傳遞任意大小（有限制）扭矩的變速傳動器來實現(xiàn)可變速運(yùn)行。扭矩控制有較高的帶寬，因此所需扭矩可以在很短的時間里得到滿足。在低風(fēng)速時，葉輪速度是通過改變發(fā)電機(jī)扭矩以捕獲最大能量而進(jìn)行控制的。在中風(fēng)速時，當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，需要動態(tài)調(diào)節(jié)扭矩以保證葉輪轉(zhuǎn)速在額定值。在高風(fēng)速時，扭矩達(dá)到額定值，開始使用變槳控制以保證葉輪轉(zhuǎn)速在額定值。為維持額定功率，扭矩需要根據(jù)額定點附近的速度變化反向地調(diào)節(jié)，于是設(shè)計了一個阻尼濾波去給所需扭矩疊加紋波以抑制傳動系統(tǒng)的振動。

3 分階段控制

3.1額定風(fēng)速以下

為了提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率，在額定風(fēng)速以下時需要通過發(fā)電機(jī)扭矩的調(diào)節(jié)以改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)葉尖速比狀態(tài)，以捕獲最大風(fēng)能。

忽略傳動系統(tǒng)能量損耗，當(dāng)發(fā)電機(jī)扭矩與測得的發(fā)電機(jī)速度的平方成正比就能達(dá)到最優(yōu)工作條件。即。其中 。為空氣密度，R為葉輪半徑，為期望葉尖速比，表示葉尖速比為時的功率系數(shù)，G為齒輪箱變比。如圖1所示，算得的最大功率系數(shù)在槳葉角度在0°時取到。

由于慣性，葉輪不能跟隨風(fēng)速變化很快地改變速度，因此不可能總是維持最大功率系數(shù)。然而上述策略在葉輪不是太重時是合理的。

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3.2額定風(fēng)速區(qū)

當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值時，利用一個PI（比例加積分）控制器根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)給定扭矩來維持最大速度。該控制器的增益可以通過線性控制器設(shè)計技術(shù)算得。葉輪速度最好是在額定點附近點附近有些波動，這比把速度固定在額定點能更柔地響應(yīng)扭矩和功率的緩慢波動。這可以通過選擇合適的PI增益[4]來實現(xiàn)。同樣，最小速度也可以通過這個PI控制器來限制。在最大最小速度之間，這個PI控制器根據(jù)下面提到的轉(zhuǎn)速-扭矩工作曲線進(jìn)行輸出。

PI控制器的拉普拉斯形式為：

其中Kq是比例增益，Tq是積分時間常數(shù)。積分增益是Kq/Tq。這里采用一個低通濾波器來減少控制器對于高頻干擾的敏感性，即：

當(dāng)達(dá)到最大扭矩時，為了維持恒定轉(zhuǎn)速，槳距角給定開始變化以響應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。這是通過第二個PI控制器實現(xiàn)的。

變槳PI控制器的增益根據(jù)工作點而變化，因為在高風(fēng)速時空氣動力矩對于槳距角的敏感性比額定風(fēng)速時大得多。這可以通過基于槳距角的增益調(diào)度技術(shù)實現(xiàn)。可以通過增益調(diào)度的調(diào)節(jié)來確保在整個從額定到切出風(fēng)速范圍內(nèi)均有好的響應(yīng)和足夠的穩(wěn)定裕度。變槳控制器的拉普拉斯形式為：

其中K是比例增益，Ti是積分時間常數(shù)。增益K可以根據(jù)當(dāng)前槳距角通過對某些極限情況下槳距角的逆增益進(jìn)行先行插值而來。積分時間常數(shù)也可以通過當(dāng)前槳距角確定。

比例增益可以進(jìn)一步利用速度誤差及其導(dǎo)數(shù)（發(fā)電機(jī)加速度）的乘積來修正。這樣設(shè)計的非線性反饋ID使得它使用得非常少，只有當(dāng)速度快要達(dá)到超速極限時才起作用，此時它能夠減少瞬時負(fù)載。比例增益乘上一個由查找表插值而來的因子，該關(guān)系如圖2所示。

被測發(fā)電機(jī)速度通過三個濾波器才被用來變槳控制。用一個低通濾波器來減小高頻信號的沖擊。有兩個V型濾波器；第一個阻止3P頻率分量，第二個用來覆蓋6P和傳動系統(tǒng)頻率。這兩個V型濾波器的形式是：

與槳距角PI控制器并行的是一個附加的槳距角給定，它是通過把前后向機(jī)艙加速度傳給一個合適的濾波器而得來的。它的目的是主動地抑制塔的前后向擺動。被測機(jī)艙加速度通過兩個二階濾波器，第一個是在3P頻率處的V型濾波器，第二個調(diào)節(jié)信號的增益和相角以使得第一個塔模態(tài)達(dá)到最佳阻尼比。

既然變槳控制器和扭矩控制器都想把轉(zhuǎn)速控制在同樣的工作點，所以有必要

執(zhí)行一些邏輯控制，以使得在超過額定轉(zhuǎn)速時不用扭矩控制器，而在低于額定轉(zhuǎn)速時不用變槳控制器。實現(xiàn)過程如下：兩個控制器并行工作，但是在變槳控制器中裝有附加扭矩器件使其在額定轉(zhuǎn)速下飽和在微調(diào)狀態(tài)，并且在較低扭矩極限處有一個“棘齒”以確保給定扭矩在槳距微調(diào)狀態(tài)沒有達(dá)到時不能下降。也用一個二階低通濾波器來減少附加扭矩控制器對于高頻干擾的敏感性。這個技術(shù)確保：

當(dāng)扭矩低于額定值時，變槳系統(tǒng)飽和在微調(diào)狀態(tài)；

當(dāng)變槳系統(tǒng)在微調(diào)狀態(tài)之上時，扭矩飽和在額定值；

如果風(fēng)速迅速上升到額定值，當(dāng)扭矩達(dá)到上極限時，變槳系統(tǒng)開始工作以抑制暫態(tài)的超速；

風(fēng)速暫減時扭矩保持在額定值：葉輪動能保持額定功率，在額定風(fēng)速周圍及以上時，阻止頻繁的功率跌落。

3.3 額定風(fēng)速以上

在額定風(fēng)速以上時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率波動過大會導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組機(jī)械和電氣部件的損傷，因此設(shè)計良好的恒功率控制策略非常重要。在額定風(fēng)速以上，發(fā)電機(jī)扭矩幾乎保持為常數(shù)，這意味這傳動系統(tǒng)的任何扭轉(zhuǎn)振動都會有很低的阻尼。可以存在這個振動模態(tài)的很顯著的激勵，它能夠以對應(yīng)于第一個傳動系統(tǒng)模態(tài)的頻率向齒輪箱施加很大的振蕩扭矩。對于這個風(fēng)力機(jī)，第二個塔的邊-邊模態(tài)也引起這些振動。這些扭轉(zhuǎn)振動可以通過對發(fā)電機(jī)扭矩給定增加一個附加項來抑制，在共振頻率處加一個小紋波給扭矩和功率；這能夠顯著地減少齒輪箱載荷。該附加項是由測得的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速通過一個適當(dāng)?shù)臑V波器變化而來。

使用了一個連續(xù)的帶通濾波器，它串聯(lián)一個二階V型（陷波）濾波器。這個濾波器在離散時間域中設(shè)計，以離散傳遞函數(shù)實現(xiàn)出來。為了這個特別的實現(xiàn)，該濾波器被轉(zhuǎn)化為一個連續(xù)的帶通濾波器，該濾波器在采用雙線性或者Tutsin近似法離散化后與其有相同的傳遞函數(shù)。

在超過額定風(fēng)速時，并不是保持扭矩（在疊加阻尼項之前）恒定，應(yīng)該根據(jù)葉輪速度反向變動它，以保持恒定功率而不是恒定扭矩。盡管這使得速度控制有點不穩(wěn)定的效果，但對齒輪箱扭矩并沒有不利影響，因此這里采用的策略使得電功率質(zhì)量提高了。

4轉(zhuǎn)速-扭矩工作曲線分析

在發(fā)電機(jī)最小速度（1000rpm）到額定速度（1780rpm）區(qū)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速-扭矩工作曲線如圖3所示。

如圖3所示，在轉(zhuǎn)速-扭矩工作曲線A-B段中采用扭矩PI控制，即通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)扭矩來獲得最大能量。

在B-D段采用控制。忽略傳動系統(tǒng)能量損耗，當(dāng)發(fā)電機(jī)扭矩與測得的發(fā)電機(jī)速度的平方成正比就能達(dá)到最優(yōu)工作條件。其中 。為空氣密度，R為葉輪半徑，為期望葉尖速比，表示葉尖速比為時的功率系數(shù)。C點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，由于A-B段和D-E段的PI控制一直在起作用，所以要想在B-D段使扭矩和轉(zhuǎn)速符合就需要添加一定的判定條件：當(dāng)實際轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩取A-B段通過PI控制計算出的和通過計算出的中的最大值，實際上這時取到的值就是滿足的轉(zhuǎn)矩值；當(dāng)實際轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩取D-E段通過PI控制計算出的和通過計算出的中的最小值，實際上這時取到的值還是滿足的轉(zhuǎn)矩值。這樣做就能保證在B-D段轉(zhuǎn)速和扭矩的關(guān)系滿足，從而獲得最大能量。

當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，且風(fēng)速小于額定風(fēng)速點（當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速點時，扭矩值為）時（即圖3中的D-E段）， 采用扭矩PI控制器，根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)給定扭矩來維持最大速度。轉(zhuǎn)速最好是在額定點附近有些波動，這比把速度固定在額定點能更柔地響應(yīng)扭矩和功率的緩慢波動。

當(dāng)達(dá)到最大扭矩時，為了維持恒定轉(zhuǎn)速，采用變槳PI控制器（即圖3中點E所在的那條斜線），調(diào)節(jié)槳葉角度以響應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速[5]。變槳PI控制的限定條件，GH算得變槳PI控制的最大、最小值的限定條件為即變槳PI控制始終控制扭矩的取值在算得的扭矩額定值的0.94～1.06倍之間。

既然變槳控制器和扭矩控制器都想把轉(zhuǎn)速控制在同樣的工作點，所以有必要執(zhí)行一些邏輯控制，以使得在超過額定轉(zhuǎn)速時不用扭矩控制器，而在低于額定轉(zhuǎn)速時不用變槳控制器。在圖3中，即要在E點作解耦操作，具體做法如下：若風(fēng)速大于額定風(fēng)速，則通過變槳PI控制調(diào)節(jié)槳葉角度來控制轉(zhuǎn)速；但當(dāng)槳葉角度調(diào)節(jié)到0°時，則采用扭矩PI控制。即解耦操作時根據(jù)槳葉角度是否為0°來進(jìn)行操作的。

可見，在超過額定風(fēng)速時，該算法并不是保持扭矩恒定，而是根據(jù)葉輪速度反向變動它，以保持功率恒定。

結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組恒功率控制算法的設(shè)計針對不同的風(fēng)速情況，利用風(fēng)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和空氣動力轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，結(jié)合變槳PI，采用不同的控制策略，實驗證明該策略能實現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲，減小發(fā)電機(jī)的磨損，對現(xiàn)實風(fēng)電機(jī)組的功率控制具有一定的參考意義。

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作者簡介：黃曉軍（1986— ），女，漢族，四川德陽人，碩士研究生，工程師，研究方向：電氣自動化控制。