高福偉

（國華(臨朐)風力發(fā)電有限公司，山東濰坊，262600）

0 引言

變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)是當前最主流的風力發(fā)電系統(tǒng)。在額定風速以下運轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)需要盡量提升能量轉(zhuǎn)換效率，從而達到提高發(fā)電效率的目的。上述目的的實現(xiàn)前提在于，需要對發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩進行控制，使發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)實際風力改變運行速度?？傮w而言，變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的核心問題是“控制”，特別是對最大風能的追蹤控制，從根本上決定發(fā)電效率。

1 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的運行原理

■1.1 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋異步風力發(fā)電機的基本原理

雙饋異步風力發(fā)電機是一種繞線式感應發(fā)電機，也是變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分[1]。此種發(fā)電機的核心構件為電機本體和冷卻系統(tǒng)。其中，前者包含定子、轉(zhuǎn)子、軸承系統(tǒng)；后者包含水冷、空冷、空水冷三種常見結(jié)構[2]。所謂“雙饋”的含義為：定子和轉(zhuǎn)子都能夠與電網(wǎng)進行功率交換，該特性遠遠優(yōu)于常規(guī)的異步發(fā)電機（此種發(fā)電機只能由電子和電網(wǎng)進行功率交換，轉(zhuǎn)子不能）。在整個雙饋感應發(fā)電系統(tǒng)中，允許在限定的大范圍內(nèi)進行變速運行。如此一來，轉(zhuǎn)子電流注入變流器之后，變流器便可以執(zhí)行一項操作—對機械頻率和電頻率之間的差額進行補償。無論系統(tǒng)處于正常運轉(zhuǎn)的狀態(tài)還是發(fā)生了故障，發(fā)電機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)都會由變流器及與其有關的控制器負責管理。

變流器分為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器以及電網(wǎng)側(cè)變流器兩個部分，二者之間的關系為“彼此獨立控制”。其中，變流器的主要運行原理為：轉(zhuǎn)子側(cè)變流器會對轉(zhuǎn)子電流進行“分量控制”，而這一過程可能同時產(chǎn)生有功功率和無功功率；電網(wǎng)側(cè)變流器會對直流母線電壓進行整體控制，主要作用在于：確保變流器運行期間，功率因數(shù)始終保持統(tǒng)一性，即始終避免出現(xiàn)無功功率。在此基礎上，功率究竟是饋入轉(zhuǎn)子，亦或是自轉(zhuǎn)子中提取而出，完全由傳動鏈當前所處的運行條件而決定。具體而言：如果傳動鏈處于“超同步”狀態(tài)，則功率會從轉(zhuǎn)子經(jīng)由變流器，最終饋入電網(wǎng)；如果傳動鏈處于“欠同步”狀態(tài)，則功率會朝著相反的方向傳送。無論哪種狀態(tài)，定子始終都會向電網(wǎng)饋電。

■1.2 變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的四個運轉(zhuǎn)階段

變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋異步風力發(fā)電機成為核心部件主要基于如下優(yōu)點：第一，能夠?qū)o功功率進行有效控制，主要通過對轉(zhuǎn)子勵磁電流進行獨立控制，進而對有功功率和無功功率進行解耦控制；第二，雙饋異步風力發(fā)電機自身具有“感應”特性，無需經(jīng)由電網(wǎng)完成勵磁作業(yè)，而是經(jīng)由轉(zhuǎn)子電路完成歷次作業(yè)；第三，能夠產(chǎn)生無功功率，并經(jīng)由電網(wǎng)側(cè)變流器，將無功功率傳送給電子[3]。

基于雙饋異步風力發(fā)電機的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)有四個運行狀態(tài)，分別為：

(1)啟動階段。系統(tǒng)從靜默狀態(tài)開機，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速從“零”開始，速度持續(xù)上升。以“切入速度”為界限，當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速達到這一界限時，便進入并網(wǎng)發(fā)電階段；

(2)最大風能追蹤階段。發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速已經(jīng)至少達到切入速度的標準，但相較于“最高轉(zhuǎn)速”還有一定的差距。在此狀態(tài)下，風力發(fā)電機的槳距角處于相對恒定的狀態(tài)，系統(tǒng)整體處于并網(wǎng)發(fā)電的狀態(tài)。在該階段，系統(tǒng)的核心目標在于：在持續(xù)運行的狀態(tài)下，盡可能精準地捕捉最大風能。因此，風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速處于不斷變化的狀態(tài)，以達到“最大風能利用系數(shù)”為主。

(3)恒定轉(zhuǎn)速階段。風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到最大，但輸出功率尚有可提升空間。在此階段，若要保證機組處于安全運行的狀態(tài)，則“捕獲最大風能”的控制目的需要改變，控制重點需要轉(zhuǎn)變成“控制風力發(fā)電機的變槳距”，達到調(diào)節(jié)槳距角的目的。完成此種轉(zhuǎn)變之后，風力發(fā)電機的風能捕獲效率會降低，整個系統(tǒng)進入轉(zhuǎn)速恒定發(fā)電階段。

(4)恒定功率階段。由于風力發(fā)電機組的輸出功率逐漸增加，最終會達到一個定值。一般情況下，機組的輸出功率不應超過額定功率。因此，隨著風速的增加，意味著風能加大，為避免功率過高，需要對風力機的變槳距系統(tǒng)進行控制（具體是增大槳距角），實現(xiàn)對實際捕獲的風能量的控制，令整個系統(tǒng)的輸出功率處于最理想且恒定的狀態(tài)。

2 風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能追蹤控制方式

■2.1 最大風能追蹤控制原理

根據(jù)上文所述的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的四個運轉(zhuǎn)階段可知，所謂“最大風能追蹤控制”需要根據(jù)實際風力的大小、發(fā)電機組的實時運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行不斷調(diào)整，最佳狀態(tài)為：現(xiàn)時風力足以令風力發(fā)電機轉(zhuǎn)葉的速度達到額定標準，使風力發(fā)電效率達到最高額定水平。但此時，需圍繞“風能捕獲”進行控制。如果缺少該環(huán)節(jié)，則轉(zhuǎn)葉轉(zhuǎn)速很可能進一步提升，甚至有失控的風險?？傮w而言，在風力機的轉(zhuǎn)葉轉(zhuǎn)速達到額定值之后，輸出功率才會最大化。而該定值被稱為“最佳轉(zhuǎn)速”，達到之后，風力機的“葉尖速比”便會進入最佳狀態(tài)，風能利用系數(shù)也達到峰值。此時便可實現(xiàn)對最大風能的捕獲。

總體而言，當風力發(fā)電系統(tǒng)處于“變化”狀態(tài)的風力環(huán)境時，必須持續(xù)不斷地根據(jù)風力的具體大小，對風力機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。如果能夠使風力機的轉(zhuǎn)速始終與“最佳功率曲線”相契合，便可達到捕獲最大風能的目的。在風力發(fā)電系統(tǒng)實際運轉(zhuǎn)期間，由于雙饋風力發(fā)電機帶有變速齒輪箱，其作用在于：能夠令發(fā)電機的轉(zhuǎn)速最高提升到風力機轉(zhuǎn)速的N倍（此處的N并不是隨機常數(shù)，而是一個定值，即變速齒輪箱的增速比）。因此，對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速進行有效控制，便可實現(xiàn)“無論風速如何變化，風力機的轉(zhuǎn)速都能夠達到最佳轉(zhuǎn)速，進而獲得最佳葉尖速比和最大輸出功率”的目的。但上述理論只是實驗室的提法，在現(xiàn)實中，由于對自然界風速、風力強度的測量精度無法達到實驗室的標準，故最佳轉(zhuǎn)速也難以確認。為解決這一問題，需對發(fā)電機輸出有功功率進行控制，實現(xiàn)對發(fā)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)整，最終在風速精準度不能精細化確定的情況下，使風力發(fā)電機達到最大功率。如此一來，“對最大風能的追蹤控制”實際上便已形成。

■2.2 最大風能的常見追蹤控制方法

2.2.1 最佳葉尖速比法

此種方法的主要原理為：調(diào)整風力機的轉(zhuǎn)速，能夠讓風力機無論處于什么樣的風速條件下，都可以將葉尖速比保持在最佳運行狀態(tài)。此種控制方法的實現(xiàn)前提調(diào)鍵位：風力機當前的轉(zhuǎn)速與風速均需作為“輸入量”輸進控制系統(tǒng)，對風速測量裝置以及風力機轉(zhuǎn)速計算裝置的要求較高。

2.2.2 功率信號反饋法

此種方法的原理為：在“最佳功率曲線”已知的情況下，對風力發(fā)電機的實時轉(zhuǎn)速進行測量[4]。以該測量值為基礎，計算出對應的最大輸出功率（該功率具體值能夠與最佳功率曲線的某個值互相映照）。對控制器而言，實際輸入量為風力機實際輸出功率對應的反饋值與其最大功率反饋值之間的“偏差值”。由上文所述的雙饋異步風力發(fā)電機的運行原理可知，對轉(zhuǎn)子電流進行調(diào)節(jié)，實際上是通過一種間接的方式，達到調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速的目的。經(jīng)過該環(huán)節(jié)后，發(fā)電機實際輸出功率與對應的最大功率的變化曲線便可實現(xiàn)“重疊”，此時，風力發(fā)電機的運行軌跡變化情況與最大風能曲線幾乎完全一致，便可捕獲最大風能。

3 一種針對變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能追蹤控制的方法簡析

■3.1 最大風能整體追蹤控制策略設計

根據(jù)上文所述，雙饋異步風力發(fā)電機是變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的核心構件，針對整個風力發(fā)電系統(tǒng)進行控制時，應主要注意對如下兩個階段進行控制：其一，最大風能追蹤捕獲控制；其二，恒定功率輸出控制。本文提出的針對變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能的追蹤控制方法主要限制在“對額定風速之下的最大風能”的追蹤控制。且由于篇幅所限，只列出對“風速整體不變”情況下的追蹤控制方式。具體而言：發(fā)電機為雙饋異步風力發(fā)電機，且以定子輸出有功功率替代風力發(fā)電機的機械功率，即調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速時，風力機的轉(zhuǎn)速同樣會改變。在此基礎上，沿用“變槳距失速控制”原理，在風速額定的情況下，無需調(diào)節(jié)風力機的槳距角；在風速已經(jīng)超過額定風速時，通過調(diào)節(jié)槳距角，令系統(tǒng)整體處于功率恒定（最大功率）的運行狀態(tài)。

■3.2 控制算法實現(xiàn)原理

3.2.1 原理簡析

此種算法是一類（最大功率）點跟蹤算法，在“爬山搜索法”的基礎上改進而來，即對轉(zhuǎn)速不斷增加的過程進行有目的性的“擾動”，使功率逐漸接近并最終達到最大值。（爬山搜索法的幾個主要步驟為：第一，在風力的作用下，當發(fā)電系統(tǒng)達到切入轉(zhuǎn)速之后，需對風力發(fā)電機此時的扇葉轉(zhuǎn)動速度以及輸出功率等進行測量；第二，施加一種“擾動步長”，并對此狀態(tài)下的輸出功率進行測量；第三，對前后時刻的輸出功率差值、轉(zhuǎn)速差值進行計算；第四，給出下一時刻的參考轉(zhuǎn)速，重復上述循環(huán)過程，直到功率達到最大值）。在此基礎上，如果系統(tǒng)真正達到最大功率點對應的運行狀態(tài)時，對系統(tǒng)當前的轉(zhuǎn)速以及輸出功率的具體值進行計算并記錄。此種改進方式的原理在于：當風力發(fā)電系統(tǒng)達到最大功率后，對此時對應的運行狀態(tài)進行檢測，特別是轉(zhuǎn)速和輸出功率。有了這兩項重要參數(shù)之后，風速的動態(tài)曲線便可生成。但自然界的風速是不可控的，即使根據(jù)氣象部門給出的預測，也只能大概將風力變化情況維持在某個區(qū)間內(nèi)，不可能做到精確預知?；诖?，常規(guī)的爬山搜索法并不是長期有效的。但“爬山搜索法并不是永久有效的”并不意味著“爬山搜索法完全無法應用”，其主要原理依然有參考價值。比如“施加下一次擾動的方向、大小完全根據(jù)之前的擾動功率、轉(zhuǎn)速之間的變化關系而決定”與常規(guī)的爬山搜索法完全一致。由此導致的結(jié)果是，當風速并不處于恒定狀態(tài)時，無法判斷導致風力發(fā)電系統(tǒng)功率改變的原因（是由風速的變化還是由之前施加的擾動方向的變化而導致風力發(fā)電系統(tǒng)功率變化）。當控制算法因無法清晰界定原因而導致搜索方向發(fā)生錯誤，那么工作點不但不能逐漸接近最大功率點，反而會逐漸遠離，最終導致無法對最大功率點進行追蹤控制。充分考慮到上述因素之后，需要保證無論風速是否處于變化情況，施加的“擾動”的方向都會是最佳功率曲線方向。只有如此，針對最大風速、最大功率點的搜索方向才會始終保持正確在此基礎上，如果系統(tǒng)真正達到最大功率點對應的運行狀態(tài)時，對系統(tǒng)當前的轉(zhuǎn)速以及輸出功率的具體值進行計算并記錄。

3.2.2 風速不變情況下“最大功率點”的追蹤算法

風速度不變時，風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與發(fā)電機轉(zhuǎn)速之間的關系曲線符合“一凸函數(shù)”的標準，即只有一個極值點。因此，可對曲線斜率的變化情況進行分析，足以確定最大功率點的搜索方向、步長的具體情況，能夠在很短的時間內(nèi)便搜索到“最大功率點”。根據(jù)實際測量結(jié)果（風速恒定的情況下，功率與轉(zhuǎn)速會生成特定的關系曲線）可知，如果搜索工作點與最大功率點處于“逐漸遠離”狀態(tài)，那么發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化量會對風力機的輸出功率產(chǎn)生較大影響；而當搜索工作點與最大功率點逐漸接近，甚至就在最大功率點附近，此時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化量變不會對風力機的輸出功率產(chǎn)生較為明顯的影響。進行如此設計之后，最大風能搜索工作點與最大功率點之間便形成了如下數(shù)學關系—在曲線上，工作點如果與最大功率點越靠近，則對應斜率的絕對值便會月底；如果二者逐漸疏遠，則對應斜率的絕對值變回越來越大。如果二者無限趨近，那么斜率變無限趨近于零。

若要使上述追蹤控制思路能夠?qū)崿F(xiàn)，需要引入“模糊控制”機制。而模糊控制器的結(jié)構原理為：輸入→論域變換→模糊化→模糊推理→清晰化→反論域變換→輸出。此外，風速是否處于變化狀態(tài)決定最大功率點追蹤算法處于什么樣的工作模式。基于此，在系統(tǒng)開始工作之前，必須對當前風速進行檢測。如果忽略該步驟，則會導致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。而為了防止系統(tǒng)運行及檢測的成本增加。需要對風速的變化情況進行智能檢測—依靠風力機在不同風速狀態(tài)下（變速或勻速）的運行特性進行測量

■3.3 仿真結(jié)果

當發(fā)電機的轉(zhuǎn)速逐漸接近最佳轉(zhuǎn)速時，風力機的輸出功率同樣處于不斷增加的狀態(tài)，且風能利用系數(shù)也逐漸增大。此時，發(fā)電機定子輸出有功功率的變化趨勢為：先增加、后降低，之后再逐漸增加，直至達到最大之后恒定。

4 結(jié)語

針對變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能進行追蹤控制的實現(xiàn)原理并不復雜，需要遵循的思路為：根據(jù)雙饋異步風力發(fā)電機以及整個系統(tǒng)的最大輸出功率、轉(zhuǎn)速、風能利用系數(shù)之間的聯(lián)系，結(jié)合實際風速，保證發(fā)電機功率達到最大功率點。滿足這一條件，客觀上便實現(xiàn)了“對最大風能的有效追蹤控制”。