王永耀

(大唐山西新能源有限公司，山西 太原 030032)

基于功率參考值波動(dòng)的風(fēng)機(jī)控制策略改進(jìn)

王永耀

(大唐山西新能源有限公司，山西 太原 030032)

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組外部功率參考值下降時(shí)風(fēng)機(jī)安全控制策略問題，以變速恒頻風(fēng)電機(jī)組為對(duì)象，在常規(guī)控制策略基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)控制策略，并通過Simulink模型對(duì)不同控制策略下的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和分析。結(jié)果表明：通過調(diào)節(jié)槳距角的改進(jìn)控制策略能夠更好地適應(yīng)機(jī)組故障等情況，可降低機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁力矩震蕩，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

變速恒頻；風(fēng)電機(jī)組；外部功率；波動(dòng)；控制策略

0 引言

風(fēng)力發(fā)電在減少煤炭等化石燃料消耗的同時(shí)，可有效降低污染物排放，對(duì)節(jié)能環(huán)保具有重要意義。由于風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)性較大，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的接納能力有限，在國家電網(wǎng)公司制定的風(fēng)電運(yùn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，要求風(fēng)電場根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令控制有功功率的輸出。風(fēng)機(jī)功率通常與風(fēng)速有著直接的關(guān)系，但也可以通過外部功率參考值將功率調(diào)低。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)問題時(shí)，應(yīng)及時(shí)降低機(jī)組功率或停機(jī)，避免因帶傷運(yùn)行導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出現(xiàn)重大事故。機(jī)組的功率額定值調(diào)低，稱為額定值減少。額定值減少源包括操作者請(qǐng)求、元件高溫和電網(wǎng)事件，3者所對(duì)應(yīng)的3個(gè)功率參考值中的最小值就是風(fēng)機(jī)外部功率參考值。

1 模型分析

1.1 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)貝茲(Betz)理論，風(fēng)力機(jī)單位時(shí)間內(nèi)捕獲的風(fēng)能為：

式中：ρ為空氣密度；A為風(fēng)輪掃風(fēng)面積；v為風(fēng)速；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；λ為葉尖速比；R為風(fēng)輪半徑；ωT為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。

當(dāng)v與ρ一定時(shí)，風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能能量取決于Cp。Cp是關(guān)于葉尖速比λ和槳距角β的高階非線性函數(shù)，3者關(guān)系如圖1所示。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)傳動(dòng)鏈模型為:

式中：ωg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速;t為時(shí)間;Tm和Te分別為風(fēng)機(jī)高速軸機(jī)械轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)電磁力矩；J為傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模塊，如圖2所示。

1.3 發(fā)電機(jī)模型

相比較于同步電機(jī)的勵(lì)磁，異步雙饋電機(jī)不僅可以調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流幅值，還可以改變勵(lì)磁頻率和相位。通過改變勵(lì)磁頻率，可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的；采用矢量控制方法將定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的勵(lì)磁電流和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分別加以控制。現(xiàn)重點(diǎn)研究功率參考值波動(dòng)時(shí)變速恒頻機(jī)組功率控制，對(duì)異步雙饋電機(jī)不作過多討論，將發(fā)電機(jī)等效為一階慣性環(huán)節(jié)。其中，發(fā)電機(jī)輸出功率的計(jì)算公式為：

圖1 Cp與λ，β的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模塊

1.4 風(fēng)能吸收計(jì)算模塊

根據(jù)式(1)設(shè)計(jì)風(fēng)能吸收計(jì)算模塊，可以直觀觀測風(fēng)輪所吸收能量，進(jìn)一步比較不同控制策略下機(jī)組響應(yīng)功率參考值的特性。風(fēng)能吸收計(jì)算模塊如圖3所示。

2 控制策略

2.1 常規(guī)控制策略

現(xiàn)以某風(fēng)電場運(yùn)行機(jī)組為例，在機(jī)組正常運(yùn)行全額上網(wǎng)情況下，變速風(fēng)電機(jī)組控制策略：當(dāng)風(fēng)速和功率未達(dá)到額定值時(shí)，機(jī)組啟用部分功率控制器，根據(jù)當(dāng)前最佳轉(zhuǎn)速和功率要求實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤；當(dāng)風(fēng)速和功率達(dá)到額定值時(shí)，機(jī)組啟用全功率控制器，根據(jù)當(dāng)前最佳轉(zhuǎn)速與最佳槳距和推力限制的最大值，實(shí)現(xiàn)額定功率運(yùn)行，如圖4所示。

圖3 風(fēng)能吸收計(jì)算模塊

圖4 常規(guī)控制策略

由圖4可知，當(dāng)外部功率參考值下降時(shí)，機(jī)組啟用部分功率控制器，通過控制轉(zhuǎn)矩參考值來調(diào)節(jié)風(fēng)輪所吸收風(fēng)能和發(fā)電機(jī)功率，該過程中槳距不變；若機(jī)組停機(jī)，槳葉將調(diào)整至順漿位置。

2.2 改進(jìn)控制策略

當(dāng)機(jī)組外部功率參考值下降，常規(guī)控制策略僅限于調(diào)整轉(zhuǎn)矩參考值，未能利用風(fēng)機(jī)槳距角來限制風(fēng)輪吸收風(fēng)能。現(xiàn)在常規(guī)控制策略基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，如圖5所示。

在轉(zhuǎn)矩參考值計(jì)算中，仍然采用常規(guī)控制策略。在槳距參考值計(jì)算方面，根據(jù)功率參考值與實(shí)際功率大小關(guān)系對(duì)槳距角進(jìn)行調(diào)整，在滿足推力限制的槳葉位置范圍內(nèi)輸出槳距參考值。該策略能夠通過調(diào)節(jié)槳距角控制風(fēng)輪吸收風(fēng)能，針對(duì)可能發(fā)生的停機(jī)提前調(diào)整槳葉位置，能更好適應(yīng)功率下降的情況。

圖5 改進(jìn)控制策略

3 外部功率參考值及額定值減少源

通常，風(fēng)機(jī)功率與風(fēng)速有著直接關(guān)系，但也可以通過外部功率參考值將功率調(diào)低，即機(jī)組的額定值減少。

3.1 減少源

外部功率參考值被選作3組額定值減少源(操作者請(qǐng)求、元件高溫、電網(wǎng)事件)設(shè)定的幾個(gè)參考值的最小值，如圖6所示。

功率參考值不得超過額定功率，也不得低于最小功率參考值。其中，最小功率參考值用來減少傳動(dòng)鏈上的載荷，過低地減少外部功率參考值，可能會(huì)導(dǎo)致變速箱內(nèi)不必要的后沖。最小功率參考值取決于風(fēng)速，其與風(fēng)速對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

上述分析可知，額定值降低具有多個(gè)減少源。

現(xiàn)以齒輪軸承溫度為例，進(jìn)一步討論減少源與額定值降低之間的關(guān)系。

圖7 最小功率參考值與風(fēng)速對(duì)應(yīng)曲線

3.2 齒輪軸承溫度對(duì)額定值降低的影響

當(dāng)齒輪軸承溫度低于額定溫度40℃時(shí)，風(fēng)機(jī)額定值不受影響；當(dāng)齒輪軸承溫度超過40℃時(shí)，風(fēng)機(jī)功率額定值隨著齒輪軸承溫度的升高呈反比例下降趨勢。當(dāng)齒輪軸承溫度達(dá)到報(bào)警極限溫度45℃時(shí)，風(fēng)機(jī)功率降為最低額定值；當(dāng)齒輪軸承溫度達(dá)到50℃時(shí)，風(fēng)機(jī)將停機(jī)，如圖8所示。

圖8 齒輪軸承溫度與風(fēng)機(jī)功率額定值百分比之間關(guān)系

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真條件

為驗(yàn)證控制策略的正確性，采用Matlab/Simulink仿真軟件建立風(fēng)機(jī)模型。風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速為 3.5m/s，額定風(fēng)速為 12.5m/s，發(fā)電機(jī)最低轉(zhuǎn)速為0.5p.u.(0.5倍的額定轉(zhuǎn)速)，最高轉(zhuǎn)速為1.2p.u.(1.2 倍的額定轉(zhuǎn)速)。

現(xiàn)以圖8的功率曲線為例，假設(shè)風(fēng)速始終處于額定風(fēng)速以上，并以此為研究對(duì)象，針對(duì)不同控制策略建立仿真系統(tǒng)，如圖9，10所示。

圖9 常規(guī)控制策略仿真模塊

4.2 結(jié)果分析

在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速且系統(tǒng)工況穩(wěn)定條件下，機(jī)組額定功率變化情況如圖8所示，仿真結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，在機(jī)組額定功率下降情況下，常規(guī)控制策略與改進(jìn)控制策略功率跟蹤效果基本一致，不同控制策略下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)結(jié)果也基本一致。但相比于常規(guī)策略，改進(jìn)策略能夠提前調(diào)節(jié)槳距角更好地適應(yīng)機(jī)組停機(jī)并控制風(fēng)輪吸收風(fēng)能，有效減少機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁力矩震蕩，從而更好地保證機(jī)組安全運(yùn)行。

圖10 改進(jìn)控制策略仿真模塊

圖11 仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

由于風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)性較大，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的接納能力有限，在國家電網(wǎng)公司制定的風(fēng)電運(yùn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，要求風(fēng)電場能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令控制有功功率的輸出。風(fēng)機(jī)功率通常與風(fēng)速直接相關(guān)，但也可以通過外部功率參考值將功率調(diào)低。以變速恒頻風(fēng)電機(jī)組為對(duì)象，研究機(jī)組處于功率參考值波動(dòng)時(shí)，在常規(guī)控制策略與改進(jìn)控制策略情況下的安全性和響應(yīng)特性。仿真結(jié)果表明：改進(jìn)控制策略可以更快調(diào)節(jié)機(jī)組出力和轉(zhuǎn)矩，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供保障。

1劉晉．雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2014.

2肖運(yùn)啟，賀貫舉．大型風(fēng)電機(jī)組限功率運(yùn)行特性分析及其優(yōu)化調(diào)度[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38(20)：18-25.

《電力安全技術(shù)》投稿簡則

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2017-03-18。

王永耀(1971—)，男，工程師，主要從事風(fēng)力發(fā)電場、光伏電站的生產(chǎn)技術(shù)管理工作，email：764217599@qq.com。