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(許昌許繼風電科技有限公司， 河南 許昌 461000)

0 引言

隨著我國棄風限電問題的加劇，我國風電開發(fā)重心正由三北地區(qū)向中東南部地區(qū)轉移，該部分地區(qū)風電開發(fā)以分散式為主[1]。由于優(yōu)質風資源比較少且大都分布在山區(qū)等復雜地形，受地形高低起伏等環(huán)境因素的影響，運行風況相對復雜，風電機組經常受到無規(guī)律強陣風的沖擊?，F有的風電機組變槳技術發(fā)展很快，自動化程度很高，具有很高的調節(jié)能力，但由于當前應用于復雜風況的風電機組葉片長、慣性大等因素，使系統不能及時響應，這種滯后現象一般有1～3 s或更長[2]。因此在極端陣風情況下容易對風電機組的塔基、葉輪以及齒輪箱等部件造成沖擊，超出機組設計載荷，影響機組的安全運行[3]。

目前，關于陣風控制方法的研究比較有限，荷蘭能源研究中心提出一種提前探測陣風以使槳距系統及時發(fā)生動作的控制方法，該方法依賴于風速測量設備的精度，關于陣風的檢測有文獻表明，通過雷達測風裝置，可以有效預測陣風[4]，但目前在國內出于成本的考慮，大多數廠家采用機械式或者超聲波式風速風向儀進行測風，風速測量精度不高，并且由于各個廠家風速風向儀基本都安裝在機艙尾部，由于受到風輪尾流影響導致無法及時準確檢測到陣風。

基于以上技術背景，在傳統變槳控制的基礎上提出一種可以有效提高機組運行穩(wěn)定性和降低機組載荷的陣風檢測和變槳控制方法，并通過GH Bladed軟件對該方法的有效性進行仿真驗證。

1 風力發(fā)電機組系統模型分析

1.1 氣動模型特性分析

風力發(fā)電機組風輪的氣動轉換過程可以由以下2個非線性方程表示：

(1)

(2)

(3)

(4)

由式(3)和式(4)可知，風速、風輪轉速和槳矩角的變化會影響風輪的氣動轉矩和推力。由于不同葉片的氣動特性不同，這種影響也有差別。在額定風速附近，推力和扭矩對風速變化的敏感度不同，故在額定風速附近的湍流風和極限陣風將導致葉片產生較大的變形，對機組產生較大的沖擊。為了有效減小陣風對機組的沖擊，在控制策略中可引入陣風變槳控制，當檢測到陣風時可以進行快速收槳，減小機組所受的推力和扭矩，防止過速并降低機組載荷。

1.2 風力發(fā)電機傳動鏈模型分析

對于風力發(fā)電機傳動系統的建模，采用現代控制理論的狀態(tài)空間法，傳動鏈的線性系統建模采用3個狀態(tài)變量，分別為風輪轉速，發(fā)電機轉速和傳動鏈扭轉彈性力。傳動鏈選取3個狀態(tài)進行建模，是因為這個模型既可控又可觀(最小系統)[5]。根據傳動鏈等效模型

(5)

1.3 變速變槳風機控制策略

傳統的變速變槳風機的控制器如圖1所示，主要包含2個部分：扭矩控制和槳矩控制。風速在額定風速以下時，控制器的轉矩控制使風力發(fā)電機盡可能多地捕獲風能；風速在額定風速以上時，通過槳距控制使發(fā)電機輸出的功率維持在額定功率附近。但是在額定風速附近時，若風速波動較大，將會導致轉矩控制器和槳矩控制器耦合在一起，使機組功率出現大幅度的波動。若在額定風速附近出現陣風，風速從額定風速以下迅速升至額定風速以上時，轉矩控制器達到最大轉矩后槳矩控制器才開始工作，且變槳系統動作一般都有一定的延時，就可能會導致風機出現過速、過功率，使機組出現極限載荷的情況[6]。因此可在傳統的槳矩控制算法的基礎上，提出一種優(yōu)化的陣風變槳控制方法，該方法既可以有效地使轉矩控制和槳矩控制器解耦，還可以大大減小機組在瞬態(tài)的風速變化過程中的極限載荷。

圖1 變速變槳風機控制器

2 陣風變槳控制方法

2.1 陣風變槳控制邏輯設計

優(yōu)化后的陣風變槳控制方法，主要包含2個方面：陣風的檢測和變槳控制器的優(yōu)化。陣風的檢測主要考慮風輪轉速及風輪轉速的加速度，當其超過一定限值時，即可認為陣風來臨。變槳控制器的優(yōu)化主要是動態(tài)調節(jié)PID的增益和根據風輪加速度調節(jié)變槳速度2種方式。當風輪轉速超過一定限值時，則機組存在過速風險，需要調整變槳控制以加快槳矩控制的響應速度。若此時風輪加速度不斷增加，超過一定限值，考慮到變槳PID控制有一定的滯后性，可直接根據加速度計算變槳速度，快速變槳。具體控制流程如圖2所示。

圖2 陣風變槳控制邏輯流程

2.2 變槳增益調節(jié)器設計

根據葉片的氣動特性，在不同的槳矩角時扭矩的變化靈敏度不同，因此在變槳PID設計時通常采用變增益調節(jié)方式，以增強變槳控制的穩(wěn)定性，如圖3所示。

圖3 變槳增益調節(jié)

結合圖3中的增益補償，需在原有增益調節(jié)的基礎上，疊加一個動態(tài)增益。動態(tài)增益的大小需考慮風輪過速比率及槳矩角，且增益隨槳矩角的增加逐漸減小至0，動態(tài)增益的計算方式為

(6)

Kfa為動態(tài)增益系數；ωr為風輪轉速；ωth為過速閾值。Kfa與槳矩角的關系如圖4所示。

圖4 動態(tài)增益系數

2.3 陣風變槳速度函數設計

一般情況下，變槳速度(或角度)是根據槳矩控制器PID輸出，但是在極限陣風情況下，由于PID響應比較滯后，導致風輪受力過大，極限載荷增大。為保證變槳能快速響應，在陣風時根據風輪加速度直接計算變槳速度。變槳速度函數為

(7)

Kac1，Kac2，Kac3為加速度轉換系數；ωracc為風輪轉速加速度。加速度轉換系數需根據機組在湍流工況下的動態(tài)運行特性進行多次迭代確定。

3 陣風控制建模與仿真結果分析

采用國際權威風力發(fā)電機GH Bladed 仿真軟件對陣風控制策略進行仿真試驗研究。風機模型為某2.2 MW機型，其風輪直徑為116 m，額定風速為9 m/s，額定轉速為1 800 r/min。根據GL2010風電機組設計規(guī)范，建立DLC1.3和DLC1.5工況的陣風模型(風速分別為9 m/s和11 m/s)和DLC1.1工況湍流風模型(風速為18 m/s)[7]，在相同的風況下，比較陣風控制策略實施后的控制效果，主要從轉速抑制、機艙振動、極限載荷3個方面進行對比。

根據如圖5所示仿真結果，當風速為9 m/s時，與傳統的控制策略相比，陣風控制策略可以有效降低機組轉速的波動，擬制機組轉速的增加幅度，從而減小機組的載荷；當風速為11 m/s時，由1.1節(jié)可知，在額定風速以上時，槳矩角的變化對機組扭矩變化影響增加，在陣風來臨時，需要對變槳增益進行快速調節(jié)，以加快變槳PID的響應速度，實現快速收槳，防止機組出現過速。如圖6所示，在沒有陣風控制策略的情況下，機組已觸發(fā)過速故障停機，而啟用陣風控制策略后，機組轉速則可以控制在合理范圍內，不會觸發(fā)過速故障停機。如圖7所示，在大湍流風工況下，陣風控制可以有效抑制轉速波動，確保機組穩(wěn)定運行。

圖5 風速為9 m/s極端陣風仿真

圖6 風速為11 m/s極端陣風仿真

圖7 風速為18 m/s正常湍流風仿真

在陣風控制策略中，由于變槳系統提前進行變槳，因此可以避免傳統控制策略中由于變槳動作滯后而導致的變槳系統頻繁動作，從而降低機組前后振動。圖8中列出了機組振動影響最大的DLC1.5(9 m/s)工況下機組的振動仿真情況，由圖8可以看出，陣風控制策略開啟后，機艙前后振動加速度明顯降低，可有效實現振動擬制。

圖8 陣風控制策略的振動抑制效果

根據載荷計算的結果，通常情況下，機組的極限載荷出現在DLC1.3和DLC1.5工況，由于陣風控制策略可以使變槳系統快速響應，從而減小陣風時機組的推力，因此陣風控制可以在一定程度上降低機組關鍵部件的極限載荷，如表1所示。

表1 陣風控制開啟前后極限載荷對比

4 結束語

通過Bladed軟件仿真，對陣風控制策略的實施對風力發(fā)電機組轉速、振動及載荷的影響進行研究，研究結果表明：

a.陣風變槳控制策略能夠有效抑制極端陣風工況下的發(fā)電機轉速超速和振動過大，從而使機組運行在設計轉速范圍內，不停機，不脫網。

b.陣風變槳控制策略可有效降低機組各關鍵部件的極限載荷，降低機組設計成本。

文中陣風變槳控制策略應用于分散式復雜地區(qū)山地風電場后，解決了機組運行過程中的過速故障和振動故障頻繁問題，在復雜風況下的運行穩(wěn)定性和適應性得到提高。