李大中，尹鵬娟，毛小麗，鄔峰

(華北電力大學(xué) 自動化系，河北 保定 071003)

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一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率平滑控制方法

李大中，尹鵬娟，毛小麗，鄔峰

(華北電力大學(xué) 自動化系，河北 保定 071003)

基于風(fēng)力機(jī)在不同運(yùn)行區(qū)域中的功率特性，提出了一種改進(jìn)控制策略。該控制方法在綜合考慮轉(zhuǎn)速控制和功率控制的基礎(chǔ)上，在變槳控制器中引入了功率前饋控制器，使輸出功率對風(fēng)速的變化提前做出響應(yīng)；在轉(zhuǎn)矩控制器中加入了轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制，使轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)更加快速，并且在確定轉(zhuǎn)矩給定值之前引入一個加權(quán)平均值算法，減小給定轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速發(fā)生的突變。利用MATLAB對傳統(tǒng)和改進(jìn)兩種控制策略進(jìn)行了驗證。驗證結(jié)果表明：當(dāng)機(jī)組處于過渡區(qū)時，在傳統(tǒng)控制策略下機(jī)組的功率輸出值存在較大的擾動，控制效果不理想，而改進(jìn)的控制策略能夠有效地抑制陣風(fēng)對轉(zhuǎn)矩給定值的擾動，使輸出功率更加平滑，減小了對電網(wǎng)的沖擊。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；功率平滑控制；功率前饋控制器；轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償器；加權(quán)平均算法

近年來，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略的研究范圍不斷擴(kuò)大，控制技術(shù)也由原來的定槳失速控制轉(zhuǎn)向現(xiàn)在的變槳變速控制[1]。風(fēng)力機(jī)的控制主要分為兩大部分：最大功率跟蹤控制和變槳距控制。目前所研究的傳統(tǒng)控制策略中：最大功率跟蹤控制主要分為三種，葉尖速比控制、查表法和爬山搜索法，一般采用當(dāng)前轉(zhuǎn)速通過最佳功率曲線來確定有功功率的給定值，即查表法；槳距角控制中，通過功率的比例積分(proportional-integral，PI)控制來調(diào)節(jié)槳距角，使功率保持恒定[1-2]。在過渡區(qū)時，由于輸出功率并未達(dá)到額定功率，變槳控制器不起作用，此時輸出功率受風(fēng)速影響較大，風(fēng)速有任何擾動，都會對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率產(chǎn)生很大的影響[3-4]，進(jìn)而對電網(wǎng)造成一定的影響。

本文在傳統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)上，引入了功率前饋控制和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償器，提出了一種改進(jìn)控制策略，主要用來消除過渡區(qū)風(fēng)速變化以及瞬間載荷對輸出功率產(chǎn)生的影響。

1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特性

1.1風(fēng)力機(jī)的基本特性

根據(jù)Betz理論，風(fēng)力機(jī)實(shí)際獲得的功率

(1)

式中：ρ為空氣密度；Sw為氣流流過的截面面積；v為風(fēng)速。

當(dāng)風(fēng)流過風(fēng)力機(jī)時，一部分風(fēng)能量傳遞給風(fēng)輪，另一部分則被風(fēng)力機(jī)的氣流帶走，所以風(fēng)力機(jī)實(shí)際輸出機(jī)械功率

(2)

式中：R為風(fēng)輪葉片半徑；CP為風(fēng)能利用系數(shù)，是表征風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)。在這里為了方便研究CP的特性，引入葉尖速比λ，即風(fēng)輪葉片的線速度與風(fēng)速之比，λ=Rwt/v(wt為風(fēng)輪角速度)，CP與λ和槳距角β的關(guān)系如下[2]：

由此可繪制出一條β固定為零時CP-λ曲線，如圖1所示。

圖1　槳距角固定為零時風(fēng)力機(jī)特性曲線

1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率特性及運(yùn)行區(qū)域

從上面的分析可知，當(dāng)風(fēng)速v一定時，隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n的改變，CP的值會發(fā)生一定的變化，同樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率Po也會發(fā)生相應(yīng)的變化。機(jī)組類型確定后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率跟蹤曲線也會確定。本文研究的對象為2MW雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其最大功率跟蹤曲線如圖2所示。

在不同的風(fēng)速下，根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行范圍可分為4個區(qū)域：OA為啟動并網(wǎng)區(qū)，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)控制；AB為最大功率追蹤區(qū)，機(jī)組隨著風(fēng)速v的變化使CP保持恒定，以追蹤最大功率；BC為轉(zhuǎn)速恒定區(qū)(也稱過渡區(qū))，保持轉(zhuǎn)速不變，功率隨風(fēng)速的增加而增加；CD為恒功率區(qū)，通過轉(zhuǎn)速和槳距角的協(xié)調(diào)控制來限制輸出功率穩(wěn)定在額定值。如圖2所示[5]。

圖2　最大功率跟蹤曲線及運(yùn)行區(qū)域

2　基本風(fēng)力機(jī)控制器

βmax為槳距角變化的最大值。圖3　基本風(fēng)力機(jī)控制策略框圖

基于此，本文建立了2MW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型[7-8]，驗證了采用傳統(tǒng)控制策略時，風(fēng)速從 5m/s逐漸增加到 15m/s，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、槳距角以及輸出功率的變化曲線，如圖4所示。

圖4　傳統(tǒng)控制策略下轉(zhuǎn)速、槳距角和輸出功率變化曲線

由圖4可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，如果此時風(fēng)速超過額定風(fēng)速，機(jī)組的輸出功率會迅速上升至額定功率。如果在該過渡區(qū)內(nèi)有陣風(fēng)的擾動，將會對輸出功率造成較大的影響，嚴(yán)重時甚至?xí)痣娋W(wǎng)波動。而傳統(tǒng)控制策略則未能有效解決風(fēng)速擾動對過渡區(qū)輸出功率的影響。

3　改進(jìn)的風(fēng)力機(jī)控制器

本文針對傳統(tǒng)控制策略在過渡區(qū)受風(fēng)速影響較大這一不足，對變槳控制和轉(zhuǎn)矩控制分別做出了優(yōu)化改進(jìn)。變槳控制中引入了功率前饋控制器，使輸出功率對風(fēng)速的變化提前做出響應(yīng)，以免引起大的功率波動。轉(zhuǎn)矩控制中在基本轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上，引入一個轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制器，從而使轉(zhuǎn)矩的給定更加精確。轉(zhuǎn)矩給定值輸出之前引入一個加權(quán)濾波，使轉(zhuǎn)矩給定值的波動減小。

3.1改進(jìn)的變槳控制器

改進(jìn)變槳控制器的基本控制規(guī)則是：輸出功率未達(dá)到額定功率之前，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使輸出功率更加平滑；輸出功率大于額定功率時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，通過調(diào)節(jié)槳距角使輸出功率保持在額定功率。本文在文獻(xiàn)[9-10]基礎(chǔ)上，綜合考慮了轉(zhuǎn)速和功率控制，提出了一種改進(jìn)變槳控制策略。改進(jìn)的變槳控制器如圖5所示。

圖5　改進(jìn)的變槳控制器

3.2改進(jìn)的轉(zhuǎn)矩控制器

圖3所示的基本轉(zhuǎn)矩控制器就是最大功率曲線的追蹤，這種控制策略在過渡區(qū)由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定，輸出轉(zhuǎn)矩給定值受風(fēng)速影響較大，有陣風(fēng)等擾動出現(xiàn)時，基本的轉(zhuǎn)矩控制器就不能取得良好的控制效果。本文在文獻(xiàn)[11]的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的轉(zhuǎn)矩控制器，如圖6所示。

圖6　改進(jìn)的轉(zhuǎn)矩控制器

將改進(jìn)后的控制策略應(yīng)用于所建立的2MW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型，與改進(jìn)前風(fēng)速變化相同條件下，觀察改進(jìn)后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、槳距角以及輸出功率的變化，如圖7所示。

圖7　改進(jìn)策略下的轉(zhuǎn)速、槳距角和輸出功率曲線

從圖7可以看出，控制策略改進(jìn)后，在過渡區(qū)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率的變化都比較緩慢，而且過渡區(qū)也被擴(kuò)大。在輸出功率達(dá)到額定功率之前，槳距角一直保持為零，此時通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小來改變機(jī)組輸出功率。在運(yùn)行狀態(tài)到達(dá)恒功率區(qū)之前，擴(kuò)大過渡區(qū)，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)組的輸出功率以更小的斜率隨風(fēng)速的變化而變化，從而減小瞬時載荷對機(jī)組輸出功率的影響，使輸出功率更加平滑。

以上改進(jìn)的變槳控制策略和改進(jìn)的轉(zhuǎn)矩控制策略均是對輸出功率進(jìn)行的平滑優(yōu)化，而且單獨(dú)的一種控制策略不能實(shí)現(xiàn)該控制效果。因此，要使最終機(jī)組的輸出功率更加平滑，控制效果更好，必須兩者協(xié)調(diào)配合才能使控制效果達(dá)到最佳。也就是說在過渡區(qū)，不僅需要功率控制和轉(zhuǎn)速控制的相互配合，同時也需要轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制器對查表轉(zhuǎn)矩給定值做出一定的修正，最后再通過加權(quán)平均值算法對當(dāng)前電磁轉(zhuǎn)矩和給定的電磁轉(zhuǎn)矩指令取加權(quán)平均，才能得到更為準(zhǔn)確的電磁轉(zhuǎn)矩給定值。只有變槳矩控制和轉(zhuǎn)矩控制兩者相互配合，協(xié)調(diào)控制，才能將瞬間載荷對輸出功率的影響降到最低，才能使輸出功率的平滑控制效果達(dá)到最佳。本文在文獻(xiàn)[9-11]的基礎(chǔ)之上對整體的風(fēng)力機(jī)控制器做出了一些改進(jìn)，改進(jìn)后的風(fēng)力機(jī)控制器如圖8所示。

圖8　整體改進(jìn)的風(fēng)力機(jī)控制器

4　仿真驗證

本文以變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為對象，其切入風(fēng)速為3m/s，額定風(fēng)速為12.2m/s，切出風(fēng)速為10min平均風(fēng)速25m/s或瞬間風(fēng)速30m/s。該機(jī)組額定輸出功率2MW，額定電壓690V，額定頻率50Hz。

為了驗證改進(jìn)控制策略的有效性和優(yōu)越性。利用MATLAB對基本和改進(jìn)兩種控制策略進(jìn)行了驗證，其結(jié)果如圖9所示。

圖9　改進(jìn)前后仿真結(jié)果

從圖9可以看出，控制策略改進(jìn)后，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)速控制和槳距角控制二者相互協(xié)調(diào)可減小輸出功率的變化，雖然發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在額定值附近有所波動，但最終的輸出功率更加平滑，從而減小瞬時載荷對機(jī)組輸出功率的影響，使輸出功率平滑控制得到了滿意的控制效果。

5　結(jié)束語

驗證結(jié)果表明，使用改進(jìn)后的控制策略，可得到風(fēng)電機(jī)組輸出功率平滑控制的滿意效果。具體改進(jìn)如下：

a) 變槳控制器中引入了功率前饋控制器，使輸出功率對風(fēng)速的變化提前做出響應(yīng)；

b)轉(zhuǎn)矩控制器中，加入轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制器，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)更加快速，通過在轉(zhuǎn)矩給定值之前引入一個加權(quán)平均值算法，有效地抑制了陣風(fēng)對轉(zhuǎn)矩給定的擾動。

通過改進(jìn)策略各模塊之間的相互配合，使輸出功率更加平滑，從而減小了對電網(wǎng)的沖擊。

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(編輯闞杰)

Smooth Control Method for Output Power of Wind Generating Set

LI Dazhong, YIN Pengjuan, MAO Xiaoli, WU Feng

(Department of Automation, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China)

A kind of improved control strategy based on power characteristic of wind turbine in different operating regions is presented. On the basis of comprehensively considering rotate speed control and power control, this method introduces power feed forward controller in the variable pitch controller thus make output power respond to change of wind speed in advance. In the torque controller, it adds torque compensation control which can make torque response more rapid when rotate speed is faster than rated rotate speed. In addition, a weighted average algorithm is introduced before determining set value of the torque so as to reduce mutation of the given torque with change of wind speed. MATLAB software is used to verify basic control strategy and improved control strategy respectively. Results indicate when the wind generating set is in transition zone, there is large disturbance in output value of power under traditional control strategy which means unsatisfactory control effect, while the improved control strategy would effectively restrain disturbance of gust to the torque which can make output power more smooth and reduce impact on the power grid.

wind generating set; power smooth control; power feed forward controller; torque compensator; weighted average algorithm

2016-06-13

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.004

TM614

A

1007-290X(2016)08-0017-05

李大中(1961)，男，內(nèi)蒙古包頭人。教授，工學(xué)博士，研究方向為新能源發(fā)電系統(tǒng)控制及優(yōu)化、智能優(yōu)化理論及應(yīng)用。

尹鵬娟(1990)，女，河北石家莊人。在讀碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電及綜合利用。

毛小麗(1990)，女，山西運(yùn)城人。在讀碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電及綜合利用。