徐衛(wèi)峰 趙剛 郝勇生 嚴(yán)偉

(南京南瑞繼保電氣有限公司電氣研究院,江蘇 南京 211106)

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組偏航反時限優(yōu)化控制

徐衛(wèi)峰 趙剛 郝勇生 嚴(yán)偉

(南京南瑞繼保電氣有限公司電氣研究院,江蘇 南京 211106)

為解決兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組不能頻繁偏航和及時響應(yīng)的矛盾,采用體現(xiàn)能量特征的反時限方法獲得相對風(fēng)向閾值及延時時間?？紤]輸入信號的穩(wěn)定性,使用均值對風(fēng)速和風(fēng)向進行處理。在流程上對相鄰兩次動作進行時間限制,提高設(shè)備使用壽命。在PLC控制器上構(gòu)建了仿真環(huán)境,實測結(jié)果驗證了該算法的可行性及可靠性,為偏航系統(tǒng)優(yōu)化運行提供可行指導(dǎo)。

風(fēng)力發(fā)電機組 偏航控制 風(fēng)向標(biāo)控制 反時限 PLC

0 引言

隨著各國對風(fēng)力發(fā)電的大力支持,相關(guān)控制技術(shù)的研究也廣泛開展起來。目前,研究主要集中在發(fā)電流程控制、變槳控制、變流器控制等[1]方面,在偏航方面也取得了一些成果。如基于風(fēng)向標(biāo)的風(fēng)向標(biāo)控制(vane control,V-C)[2],基于功率的爬山法H-C控制[3],及綜合V-C和H-C的改進V-HC控制等[4]。此外,也出現(xiàn)了卡爾曼濾波的PI控制器、模糊控制器[5]、最優(yōu)控制器等[6]。

上述算法和控制器對于兆瓦級以上的機組,雖理論上可行,但實際應(yīng)用時存在一定的問題。如爬山法由于存在風(fēng)速變化引起功率變化的情況,會觸發(fā)偏航的嘗試操作[7],該試探性的偏航操作是多余的。本文基于傳統(tǒng)風(fēng)向標(biāo)控制,設(shè)計了一種反時限風(fēng)向標(biāo)控制(inverse time vane control,ITVC)算法,即通過反時限算法計算所需的偏差角度和延時,并采用改進的判斷邏輯,取得了理想的預(yù)期效果。

1 ITVC算法

ITVC算法對原風(fēng)向標(biāo)控制算法中的相對風(fēng)向閾值、偏航激活延時以及觸發(fā)條件進行了改進。

1.1 風(fēng)向標(biāo)控制算法

風(fēng)向標(biāo)控制(V-C)算法的控制流程如圖1所示。

圖1 風(fēng)向標(biāo)控制流程圖Fig.1 Flowchart of vane control

風(fēng)向標(biāo)控制就是根據(jù)安裝在風(fēng)機機艙尾部的風(fēng)向標(biāo)測得的相對風(fēng)向差,通過判斷風(fēng)向偏差的大小來控制偏航,使得風(fēng)機始終處于迎風(fēng)狀態(tài)的一種策略。由于具有控制流程簡單、維護方便等特點,V-C算法在大中型風(fēng)機上得到了廣泛的應(yīng)用。風(fēng)向標(biāo)有機械和超聲波[8]兩種類型,由于超聲波風(fēng)向標(biāo)無機械結(jié)構(gòu),可靠性高,被廣泛應(yīng)用于風(fēng)機。

由于結(jié)構(gòu)和自重問題,在考慮設(shè)備使用壽命與自用電的情況下,大型風(fēng)力發(fā)電機組不可能與小型機組一樣可隨時偏航保證對風(fēng),因此需合理規(guī)劃啟動偏航的時機,取得在發(fā)電量、設(shè)備使用壽命以及自用電三者之間的平衡,做到高風(fēng)速下能及時響應(yīng)、低風(fēng)速下合理偏航。這取決與兩個關(guān)鍵的因素,即啟動偏航的相對風(fēng)向的閾值和門檻越過后的延時。

1.2 相對風(fēng)向閾值

相對風(fēng)向的閾值決定了偏航系統(tǒng)什么時候被激活。該值的大小決定了偏航啟動的頻繁程度。文獻[2]中由于傳感器采樣精度的問題,其閾值限制在了15°。近年高精度超聲波風(fēng)向標(biāo)的大量采用,使該方案已經(jīng)不能很好地滿足實際需求。

偏航的目標(biāo)是為了盡可能多地獲取風(fēng)能,但其自身運轉(zhuǎn)需要消耗一定的能量,因而有必要評估不同工況下的偏差角帶來的發(fā)電損失與自用電之間的關(guān)系,即通過偏航對風(fēng)增加的發(fā)電功率需大于自用電功率。依據(jù)貝茲理論[9],風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電功率滿足式(1):

式中:P為發(fā)電機組有功功率,W;ρ為空氣密度,kg/m3; v為風(fēng)速,m/s;S為風(fēng)輪的掃風(fēng)面積,m2;Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。

當(dāng)風(fēng)向存在偏差角θ(0～90°)時,有損失功率Ps:

當(dāng)損失功率大于偏航自用電功率Pz時,則有必要進行偏航對風(fēng),獲取最大能量,即Ps＞Pz。由此可得:

在風(fēng)機型號固定及工況固定的情況下,通過式(3)可知θ與風(fēng)速倒數(shù)的三次方成反余弦關(guān)系。由于式(3)比較復(fù)雜,有必要對其進行簡化。設(shè):

則式(3)可簡化得到:

對于兆瓦級以上的風(fēng)機,Pz取20 kW,ρ約為1.21 kg/m3,S以風(fēng)輪半徑50 m計算,Cp取0.48。因正常情況下風(fēng)速在2 m/s以上對于啟機才有意義,最終1/v′的取值在[0,1]之間,與1/v的區(qū)間匹配。

通過數(shù)據(jù)分析可知,偏差角與無量綱風(fēng)速的倒數(shù)平方基本與原反余弦關(guān)系吻合,如圖2所示。圖中X軸為v0/v,為無量綱風(fēng)速,其中v0為啟動偏航的下限風(fēng)速。

圖2 偏差角與風(fēng)速倒數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between difference angle and(v0/v)

根據(jù)上述關(guān)系,考慮只有v大于v0才有實際意義,設(shè)計偏差角θ滿足以下表達式:

式中:a為常量,需根據(jù)風(fēng)機系統(tǒng)的實際設(shè)計方案整定。

雖允許的偏差角θ取值范圍為0～90°,但由于風(fēng)向的波動性,為避免誤動作,需設(shè)置一個下限。同理,如果該值較高,則有可能長時間都無法動作。因此,經(jīng)過限值的編差角θ的實際取值曲線如圖3所示。

圖3 偏差角θ實際取值曲線Fig.3 Curve of actual value taken of difference angle θ

1.3 偏航激活延時

當(dāng)相對風(fēng)向偏差角超過閾值時,即進入偏航激活狀態(tài)。由于風(fēng)向采樣的擾動,因此有必要通過延時確保執(zhí)行的準(zhǔn)確性。但不同工況下采用固定延時一刀切的做法顯然不符合實際運行的需要。高風(fēng)速時風(fēng)向的采樣精度也較高,同時風(fēng)機本體受到的側(cè)向力的作用引起的振動也較大,此時可適當(dāng)減少延時時間,以提高執(zhí)行效率。

根據(jù)國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)(IEC 255-4)和英國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(BS 142.1966)的規(guī)定,對反時限有以下定義:

式中:k為時間常數(shù)系數(shù);Tp為時間常數(shù);I為故障電流;Ip為基準(zhǔn)電流;α為反時限類型,取值為0.2時表示為一般反時限,取值為1時表示為強反時限,取值為2時表示為超反時限,取值為3時表示為長反時限。

由于風(fēng)速與電流一樣都是能量的體現(xiàn),且存在類似的指數(shù)關(guān)系,因而上述反時限方案完全適用于偏航啟動的延時?？紤]到相對風(fēng)向采樣值的波動性,選用較為緩和的一般反時限方案。根據(jù)式(7)即有以下關(guān)系式:

式中:β為時間常量,由風(fēng)機偏航系統(tǒng)方案確定;v0為啟動偏航的下限風(fēng)速。

由式(8)可知,當(dāng)v/v0在[1,∞]變化時,對應(yīng)的t的取值為[0,∞]。實際使用時間不可能取0值,如取0值或極小的值,則失去了消除風(fēng)向采樣擾動的能力;也不能取很大的值,這樣會導(dǎo)致偏航長時間滿足不了啟動條件而無法動作,從而失去了判斷的意義。因而必須對該延時加以限制。啟動偏航延時曲線如圖4所示。

圖4 啟動偏航延時曲線Fig.4 Delay time curve of starting up yaw

1.4 ITVC算法的優(yōu)點

相對風(fēng)向閾值與偏航激活延時對傳統(tǒng)的V-C控制進行了改進,主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

①合理捕獲,風(fēng)能最大化。通過對當(dāng)前可捕獲風(fēng)能與自消耗能量之間的評估,合理做出啟動偏航的判斷,優(yōu)化偏航系統(tǒng)的運行,提高偏航系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命。

②快速的響應(yīng)能力。利用反時限的原理,確保了條件滿足情況下動作的快速性,縮短了對風(fēng)時間,提高了總發(fā)電量。

2 程序設(shè)計

相對風(fēng)向和風(fēng)速采樣值的處理是整個算法的基礎(chǔ),在程序設(shè)計時需確保其真實、可靠。另外偏航控制流程在一些細(xì)節(jié)方面同樣需要關(guān)注。

2.1 相對風(fēng)向和風(fēng)速采樣值處理

在整個對風(fēng)算法中,除了相對風(fēng)向閾值以及偏航激活延時的確定,采樣值的準(zhǔn)確度對于算法至關(guān)重要。而采樣值精度是由選用的風(fēng)向儀決定的。對于超聲波風(fēng)向儀,其采樣值是快速波動的,加上可能出現(xiàn)的陣風(fēng)和隨機風(fēng)[10]的影響,其瞬時采樣值波動范圍很大,這對于需要穩(wěn)定可靠的偏航算法而言幾乎無法應(yīng)用。

由于隨機性,各種濾波方法一方面難以取得理想效果,另一方面計算量也較大。常規(guī)的平均法雖簡單直觀,但為取得較好的濾波效果,就必須延長平均值計算的時間間隔。平均法由此帶來一個采樣值滯后問題,即有可能5 min的風(fēng)向偏差平均值已經(jīng)達到相對風(fēng)向閾值,而當(dāng)前實際的相對風(fēng)向在可接受范圍內(nèi),且已經(jīng)穩(wěn)定,不需要偏航。因此,需合理選取平均值時間間隔,通過長間隔加短間隔同時判斷的方式增加閾值越限的準(zhǔn)確性。

作為相對風(fēng)向閾值和偏航激活延時計算的重要依據(jù),風(fēng)速同樣采用平均值方法。其平均值計算時間窗可以適當(dāng)取長一點,以充分反映當(dāng)前的能量供給狀態(tài),但需同時考慮動態(tài)響應(yīng)問題。

2.2 ITVC算法控制流程

在偏航系統(tǒng)運行過程中,除了解纜過程外,在正常偏航過程中,均通過液壓系統(tǒng)使機艙帶有一定的阻尼進行對風(fēng)。這主要是為了保證機組在大風(fēng)運行下的可靠性。但帶載運行帶來的磨損對機組壽命有著不利的影響。為限制機組頻繁對風(fēng),可通過在兩次偏航動作之間增加一個強制延時間隔,即下一次偏航動作必須在上一次偏航動作完成一定時間后進行。該策略在相對風(fēng)向大范圍擾動的情況下能有效降低偏航啟動的次數(shù)。我們需根據(jù)機組本身特性確定該延時。

ITVC算法控制流程說明如下。首先,對風(fēng)速和風(fēng)向采樣值進行平均值濾波處理,同時根據(jù)上述算法獲得相對風(fēng)向閾值以及偏航激活延時時間。在判斷滿足上次偏航結(jié)束延時后,將相對風(fēng)向的偏差值與閾值進行比較。如果越限條件滿足且延時時間到,則激活相應(yīng)的偏航動作。當(dāng)相對風(fēng)向角度滿足停止條件時,停止偏航并記錄當(dāng)前扭纜位置,最后返回。

經(jīng)過改進的ITVC算法控制流程如圖5所示。

圖5 ITVC偏航控制流程圖Fig.5 Flowchart of ITVC

3 仿真數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)上述算法,在風(fēng)速為7 m/s、相對風(fēng)向階躍為10°的情況下,偏航系統(tǒng)執(zhí)行的曲線如圖6所示。

由于風(fēng)速是波動的,通過風(fēng)速計算的相對風(fēng)向閾值也是波動的,該值通過計算為7.6°左右。通過風(fēng)速計算得到的延時時間也是一個變化量,該值通過計算為9.6 s左右。由圖6可看出,當(dāng)相對風(fēng)向階躍10°后,相對風(fēng)向差30 s均值與1 s均值在9.1 s附近,同時大于閾值,并在開始時保持該狀態(tài)。在18.7 s處,相對風(fēng)向30 s均值開始下降,即順時針偏航開始,整個延時過程持續(xù)約9.6 s,與設(shè)定值吻合。在36.8 s處,相對風(fēng)向差1 s均值滿足1°以內(nèi)的要求,即停止偏航。

圖6 偏航仿真動作曲線Fig.6 Yaw action curve in simulation

4 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)風(fēng)向標(biāo)控制(V-C)偏航控制的基礎(chǔ)上,提出了一種基于反時限的反時限風(fēng)向標(biāo)控制(ITVC)算法。該算法面向大中型風(fēng)力發(fā)電機組,通過反時限特性有效提高了動作速度,并通過相鄰兩次偏航強制時間間隔,提供一種在效率與機組設(shè)備使用壽命之間的平衡策略,優(yōu)化了相對風(fēng)向閥值計算,在兆瓦級以上機組具有良好的控制效果和應(yīng)用前景。

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Inverse Time Optimized Yaw Control for MW Wind Turbines

In order to resolve the contradiction between infrequent yaw and timely response for MW wind turbines,the inverse time method reflecting energy features is used to obtained relative wind direction threshold and time delayed.To ensure the stability of the input signal,the average of wind speed and wind direction is used.Service life of the equipment is improved by limiting the time period of two adjacent actions of the yaw.The simulation environment is built in PLC controller,the result of real tests verify the feasibility and reliability of this method;it offers feasible guidance to optimal operation of the yaw system.

Wind turbine Yaw control Vane Control Inverse time PLC

TP273+.1

A

修改稿收到日期:2013-12-14。

徐衛(wèi)峰(1979-),男,2005年畢業(yè)于東南大學(xué)熱能工程專業(yè),獲碩士學(xué)位,工程師;主要從事風(fēng)機主控系統(tǒng)的開發(fā)及測試工作。