長春工程學(xué)院 孫 闖 姜志宏 王偉璐 詹長明 王道龍

風(fēng)電機組的獨立變槳距優(yōu)化控制系統(tǒng)綜述

長春工程學(xué)院 孫 闖 姜志宏 王偉璐 詹長明 王道龍

本文對風(fēng)電機組的獨立變槳距控制目前的研究及應(yīng)用情況進行了概述，分析了獨立變槳距控制的依據(jù)、基本工作原理、減少載荷和減緩電網(wǎng)電壓波動的獨立變槳距控制策略。最后對獨立變槳距控制方法和發(fā)展前景提出了展望。

獨立變槳距控制；槳距角；不平衡載荷；功率波動

0 引言

隨著裝機容量的飛速發(fā)展，風(fēng)電機組逐漸大型化。變槳距成為市場上大中型風(fēng)力機槳葉控制的主流運轉(zhuǎn)形式。變槳距控制分統(tǒng)一變槳距和獨立變槳距。前者是通過執(zhí)行機構(gòu)對風(fēng)力機的三個槳葉實施同步調(diào)節(jié)控制，后者是每個槳葉都有一套獨立的變槳距驅(qū)動系統(tǒng)。

1 目前獨立變槳控制技術(shù)研究及應(yīng)用情況

獨立變槳控制研究是本世紀(jì)初開始的，經(jīng)過發(fā)展，現(xiàn)在有許多大學(xué)、科研院所、公司參與該方面課題的研究，并取得了相應(yīng)研究成果。目前，國際上獨立變槳控制的研究大部分處在仿真研究階段，少數(shù)進入半實物仿真階段，個別進入現(xiàn)場測試階段。實踐證明獨立變槳控制技術(shù)可減小風(fēng)電機組的載荷，穩(wěn)定風(fēng)機輸出電壓。

2 獨立變槳控制基本理論

2.1 獨立變槳控制依據(jù)

圖1為變槳距風(fēng)力發(fā)電機特性曲線。當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以上時，調(diào)節(jié)槳距角使輸出功率穩(wěn)定在額定值。

圖1 變槳距風(fēng)力發(fā)電機特性曲線

圖2 獨立變槳控制基本原理框圖

2.2 獨立變槳控制基本原理

風(fēng)電機組變速變槳控制目的是：在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，通過變速控制實現(xiàn)最大能量捕獲；高于額定風(fēng)速時，通過變槳控制使發(fā)電機輸出功率為額定值。

圖2為獨立變槳控制工作原理框圖。其中集中變槳控制環(huán)實現(xiàn)變速變槳控制功能，輸出三個槳葉期望槳距角的相同部分；獨立變槳控制環(huán)，可減小風(fēng)輪不均衡載荷，減少轉(zhuǎn)子的傾斜和偏航力矩，分別輸出三個槳葉不同的槳距角期望補償值。

3 獨立變槳控制策略

3.1 減少風(fēng)力渦輪機載荷的獨立變槳控制策略

風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)載荷由基波和高次諧波組成，采用PR控制方法[1]，提出了比例積分諧振獨立變槳控制（PI-R IPC）策略[2]。

PI-R IPC方案、控制器配置及控制回路框圖如圖3-5所示。

圖3 減輕載荷的PI-R IPC方案

圖4 PI-R IPC控制器配置

圖5 PI-R IPC控制回路框圖

文獻[3]將PI-R IPC控制策略與CPC、PI IPC策略進行了對比仿真研究，結(jié)果證明，PI-R IPC策略具有顯著減少風(fēng)力渦輪機平衡和非平衡的載荷作用。文獻[4]對此PI- IPC策略做了改進，采取自適應(yīng)PI- IPC策略。

圖6 受3P影響的空氣動力學(xué)力矩

3.2 減緩風(fēng)力渦輪機功率波動的獨立變槳控制策略

考慮風(fēng)切變和塔陰影的影響時，風(fēng)輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)空氣動力學(xué)力矩將下降三次[5]，如圖6所示。當(dāng)空氣動力學(xué)力矩被控制在一個較小范圍時，空氣動力功率和發(fā)電機的輸出功率也在較小范圍內(nèi)波動。由此提出了一種新型的減低風(fēng)力渦輪機輸出功率波動的獨立變槳控制策略[5]，如圖7所示。

圖7 降低功率波動的IPC控制策略框圖

輸出的三個槳距增量為?β1、?β2、?β3，則減緩輸出功率波動的獨立變槳控制器原則如表1所述：

表1 獨立變槳控制原則

該獨立變槳控制策略有效的減緩了由風(fēng)切變和塔陰影引起的風(fēng)力渦輪機功率波動。文獻[5]利用Simulink，Turbsim和FAST的仿真軟件對1.5MW逆風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機進行了仿真研究，證明了該策略的有效性。

4 總結(jié)與未來趨勢

獨立變槳距控制能減小風(fēng)力渦輪機平衡載荷和不平衡載荷，提高設(shè)備可靠性、延長設(shè)備使用壽命、減緩風(fēng)力渦輪機的輸出功率的波動、穩(wěn)定輸出功率、提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。

目前，各種獨立變槳距控制技術(shù)的方法大多為單一的控制策略，較難控制隨機性風(fēng)速對風(fēng)機動態(tài)載荷造成的影響；研究多數(shù)處于仿真階段，現(xiàn)場的實際測試經(jīng)驗及結(jié)果還很少。今后應(yīng)對風(fēng)電系統(tǒng)采用多種控制策略相互結(jié)合的優(yōu)化控制方法，將現(xiàn)場測試作為未來研究的重點。

[1]Zhang,Y．,Chen, Z．,Cheng,M．“Proportional resonant individual pitch control for mitigation of wind turbines loads”,IET Renew．Power Gener．,2013,7(3):191-200．

[2]Yunqian Zhang,Ming Cheng，Zhe Chen．“Load mitigation of unbalanced wind turbines using PI-R individual pitch control”,IET Renew．Power Gener．,2015,9(3):262-271．

[3]Van Engelen,T．G．,van der Hooft,E．L．:“Individual Pitch Control”,Inventory,Technical Report ECN-C-03-138,ECN Wind Energy,ECN Petten, Netherlands．

[4]楊超,李輝,胡姚剛,等．“葉輪不平衡下的風(fēng)力機自適應(yīng)獨立變槳控制策略”,電力系統(tǒng)自動化,2015,39(15):35-41．

[5]Yunqian Zhang,Weihao Hu,Zhe Chen．“Individual Pitch Control for Mitigation of Power Fluctuation of Variable Speed Wind Turbines”,Proc．of IPEC 2012 Conference on Power and Energy,2012,638-643．

感謝：該項目得到了吉林省科技廳項目“基于獨立變槳和電力電子的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)的研發(fā)”和“新型大功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制研究” 、長春市科技局項目“新型大功率永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制研究” 、吉林省教育廳項目“大型風(fēng)力發(fā)電機組獨立變槳及電力電子優(yōu)化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研發(fā)”的支持，在此表示感謝。