摘 要：傳統(tǒng)的基于風速的功率控制方法通常會忽略風向的變化對風力發(fā)電系統(tǒng)的影響。為此，本文提出了一種基于風向標和輸出功率的偏航控制策略。該策略在風力發(fā)電機組上安裝風向標，以監(jiān)測風向的變化，并根據(jù)風向信息調(diào)整發(fā)電機組的偏航角度，使風輪始終對準風向，從而最大限度地提高風能利用率。同時，結(jié)合輸出功率的實時監(jiān)測，該策略還能根據(jù)實際需要調(diào)整發(fā)電機組的運行狀態(tài)，實現(xiàn)功率的精確控制。以期通過不斷優(yōu)化風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、完善功率控制策略并加強政策支持和社會參與等多方面的努力，將風電技術(shù)發(fā)展為全球能源領(lǐng)域的一股強大力量，為構(gòu)建綠色、低碳的未來社會做出積極貢獻。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；功率控制；偏航控制

中圖分類號：TM 614" " " 文獻標志碼：A

1 風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 定速風力發(fā)電系統(tǒng)

在1980—1990年，丹麥的生產(chǎn)商們已經(jīng)大量采用了定速風電設(shè)備[1]。某種雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機如圖1所示。該發(fā)電機是基于風輪和發(fā)電機交換控制的一個齒輪箱邊距結(jié)構(gòu)，齒輪箱的邊緣結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)的結(jié)合可以實現(xiàn)電網(wǎng)、交換機和整體發(fā)電機的并網(wǎng)過程。

該發(fā)電機的定子連接電網(wǎng)，線圈轉(zhuǎn)子經(jīng)滑環(huán)連接到變換器上。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機運行在受變換器結(jié)構(gòu)影響的受限變速區(qū)間內(nèi)，其變換能力約為其額定功率的20%～30%，性價比較高且轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍比傳統(tǒng)的Optisli大。然而，風電機組需要在電網(wǎng)發(fā)生事故時進行低壓跨越，而雙饋感應(yīng)風電機組可能會出現(xiàn)較大的功率波動，為了保障系統(tǒng)安全，高級防護體系的采用是有必要的。交流-交流換流器具有較高的變流能力和四象限工作能力，能夠進行快速、雙向輸出。但是其采用的是相位控制的方法，特別是處于低頻率時，發(fā)電機的諧波含量較高，功率因數(shù)較低[2]。

1.2 風力機變槳距控制

按照風輪葉片與輪毅間的連接方式，可將風電機組劃分為2種類型，即固定槳距風機和可變槳距風機[3]。風電機組的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是偏航控制，其主要作用是配合風機調(diào)控，保證風機的風輪一直處于迎風狀態(tài)，進而提升風機的發(fā)電效能，保障風機的安全性[4]。在自然環(huán)境中，風力的流向經(jīng)常改變，為了增加風力的捕捉能力，需要持續(xù)旋轉(zhuǎn)風機以保證風力的前向。但是受限于測速儀的準確度和風機處于下風向等問題，風機風速并未完全控制，這不但會降低風機的最高捕獲效率，還會造成風機在工作過程中受力不均勻，引起風機結(jié)構(gòu)振動與疲勞[5]。

2 基于風速的功率控制方法

2.1 基本原理

基于風速的輸出功率控制方法，當風速處于切入風速與額定風速的范圍內(nèi)時，采用精確的調(diào)速技術(shù)，進行機組最優(yōu)功率特性的精確跟蹤，保證機組功率能夠達到最大化水平[6]。在風速介于額定風速與切出風速間的條件下，利用可變槳距的方式，調(diào)整葉片的傾斜角度，保證額定功率恒定。本文提出一種基于風電機組動態(tài)特性的風電機組優(yōu)化設(shè)計方案，以滿足風電機組對風電資源的高效利用，使風電機組穩(wěn)定、可靠工作。

2.2 控制流程

某并網(wǎng)過程中的整體功能流程和變槳控制算法如圖2所示。由圖2可看出并網(wǎng)初始化和風速大小對風力機運行的影響。整個并網(wǎng)過程是一個高度自動化、智能化的系統(tǒng)，旨在保證風力機在各種風速條件下都能穩(wěn)定運行。

在該算法中，涉及參數(shù)包括風速V、功率P、功率給定值P*、尖速比λ、最優(yōu)尖速比λopt、風輪角速度ω、風輪角速度給定值ω*、齒輪箱傳動比n、風輪半徑R、槳距角β以及風能系數(shù)Cp。

變槳調(diào)控的實現(xiàn)過程包括以下5個步驟。1） 風電機組接入電網(wǎng)后，進行參數(shù)初始化操作。在此階段，特別設(shè)定槳距角β的初始值為0，并對當前風速V進行判定。2） 如果判定風速低于切入風速，風力發(fā)電機就會處于非工作狀態(tài)，不進行發(fā)電操作。3） 當風速處于切入風速與額定風速的范圍內(nèi)時，需要實施變速調(diào)控措施。速度傳感器測得實際風速數(shù)據(jù)，DSP控制器再根據(jù)這些數(shù)據(jù)發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動信號。齒輪箱對其進行精確調(diào)整，以精確調(diào)控發(fā)電機速度。整個系統(tǒng)通過閉環(huán)自動控制的方式，將實際速度與設(shè)定的目標速度進行比較，從而保證發(fā)電機能夠緊密跟蹤并適應(yīng)最優(yōu)的功率曲線變化，獲得最佳風能系數(shù)CP-max=Cp（λopt，0），進而獲取最大的功率Pt=ρπR2Cp（λopt，0）λ3。4） 當風速介于額定風速與切出風速的范圍內(nèi)時，調(diào)速器將執(zhí)行停機操作，同時可調(diào)槳距控制器將啟動工作。該控制器會比較功率傳感器測量的實際功率信號P與預設(shè)的功率設(shè)定值P*，基于比較結(jié)果，DSP控制器將輸出相應(yīng)的激勵信號，進而驅(qū)動液壓變槳距機制對葉片的傾斜角度進行精確調(diào)整，得到Cp（λ，β）。這一閉環(huán)控制過程能保證風力發(fā)電機組能夠維持恒定的額定功率輸出。5） 當風速超過預定的切出風速閾值時，為保障設(shè)備安全、穩(wěn)定運行，風機液壓制動裝置將自動啟動，觸發(fā)風機停機程序，從而使風機從電網(wǎng)中安全脫離。

3 基于風向標和輸出功率的偏航控制策略

3.1 基本原理

當風向變化＞15°時，采用風向標引導的風機操作策略。如果風向變動的絕對差值在15°以內(nèi)，系統(tǒng)會選擇功率調(diào)控手段。原因是風速和風向的微變會直接影響發(fā)電機的輸出功率，而功率傳感器只能檢測到這一功率變化，只有在風向發(fā)生轉(zhuǎn)變時，風速的變化才會被視為干擾因素[7]?；诖耍β士刂撇呗员粍澐譃?種獨立模式，即逆時針旋轉(zhuǎn)、順時針旋轉(zhuǎn)以及原地靜止。該策略有助于縮短風機對準風向的時間，提升對風的精確性，進而優(yōu)化風能利用率，延長風機的使用壽命。

3.2 控制策略

偏轉(zhuǎn)控制流程如圖3所示。偏航控制過程如下所示。1） 風電機組接入電網(wǎng)后，對風電機組的偏航控制進行初始化，然后對風向進行判定。2） 在風速Vd改變的絕對值超過15°時，將操作直接切換至A段，以對風向標進行精準控制。在此過程中，利用DSP系統(tǒng)對偏航電機進行精確操控，進而偏航電機驅(qū)動與其同軸耦合的減速器。減速器通過大減速齒輪有效地驅(qū)動機艙和塔架的回轉(zhuǎn)支承，進而帶動機艙旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)精準對風。當風向Vd的變化絕對值≤15°時，即視為對風操作完成。將偏航電機沿原來的方向轉(zhuǎn)動5°，再偏航3°，從而實現(xiàn)功率控制。由?P1來判定是否需要繼續(xù)偏航。如果?P1的變化量比指定的功率差?P*大，就沿原來的方向繼續(xù)偏轉(zhuǎn)；如果相反，就回到原來位置，偏轉(zhuǎn)控制終止。3） 在風向Vd的絕對值≤15°的情況下，根據(jù)功率的變化量來判定?P1，如果?P1≤?P*，就回到原來的狀態(tài)，不執(zhí)行偏航控制。相反，偏航電機逆時針轉(zhuǎn)動5°后，如果風向Vd的偏差≤15°，就轉(zhuǎn)入B段，判定功率的改變。4） 如果?P1-?P2≤0成立，表示偏航的方向是對的，仍然使用功率控制方法，沿原來的偏擺方向執(zhí)行偏航控制，由?P1來判定是否需要繼續(xù)偏航。如果?P1比?P*大，就沿原來的方向繼續(xù)執(zhí)行偏航；如果相反，就回到原來的位置，偏擺控制完成。如果?P1-?P2＞0，就進入C段，偏航電機將按逆時針方向轉(zhuǎn)動5°，然后根據(jù)?P1來判定是否需要繼續(xù)偏航。5） 當?P1-?P2＞0時，表明功率改變的原因是風力的改變，偏航電機停止轉(zhuǎn)動，由C段經(jīng)過D段回到原來的位置，因此不需要對偏航進行調(diào)節(jié)。反之，要對其進行功率調(diào)節(jié)，由?P1來判定是否需要繼續(xù)偏航。如果?P1的變化量比?P*大，就沿原來的方向繼續(xù)偏航控制，否則就回到原來的位置，完成偏航控制。

基于風電機組偏航控制的基本邏輯，本文通過圖3來更直觀地展示這一過程。圖3從風電機組接入電網(wǎng)后的初始化開始，先進行偏航控制的初始化，再不斷監(jiān)測風向的變化。當風速Vd的改變超過15°時，系統(tǒng)迅速切換到A段，利用DSP對偏航電機進行控制，驅(qū)動機艙對風。該過程需要監(jiān)測Vd的變化以不斷進行調(diào)整，當Vd的變化≤15°時，偏航電機根據(jù)預設(shè)的規(guī)則進行微調(diào)，以實現(xiàn)功率控制。在該過程中，系統(tǒng)不斷通過?P1來判定是否需要繼續(xù)偏航。如果?P1的變化量超過指定的功率差?P*，就繼續(xù)偏航，否則返回原位，偏航控制結(jié)束。

當風向Vd的絕對值≤15°時，系統(tǒng)進入另一個判斷流程。系統(tǒng)會根據(jù)?P1與?P*的關(guān)系來決定是否執(zhí)行偏航控制。如果?P1≤?P*，就不執(zhí)行偏航控制，保持原位。如果偏航電機逆時針轉(zhuǎn)動5°后，風向Vd的偏差仍然≤15°，系統(tǒng)就進入B段，繼續(xù)監(jiān)測功率的變化。在B段，系統(tǒng)通過比較?P1和?P2的大小來判斷偏航的方向是否正確。如果?P1-?P2≤0，表示偏航方向正確，系統(tǒng)繼續(xù)沿當前方向執(zhí)行偏航控制，并根據(jù)?P1的變化來決定是否繼續(xù)偏航或返回原位。如果?P1-?P2＞0，系統(tǒng)就進入C段，偏航電機將逆時針轉(zhuǎn)動5°，然后根據(jù)?P1來決定下一步的操作。在C段，如果?P1-?P2＞0，表明功率的改變的原因是風力的改變，此時偏航電機停止轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)通過D段返回原位，不進行偏航調(diào)節(jié)。如果?P1-?P2≤0，系統(tǒng)就進入功率調(diào)節(jié)階段，根據(jù)?P1的變化來決定是否繼續(xù)偏航或返回原位。當所有的判斷和調(diào)整都完成后，偏航控制流程結(jié)束，風電機組繼續(xù)穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

隨著風電領(lǐng)域迅速發(fā)展并逐漸走向成熟，其生產(chǎn)成本逐步降低，風機單位功率不斷增大，同時風電機組規(guī)模也在逐漸擴大。為高效、可靠地進行風力發(fā)電，滿足其規(guī)?；?、低成本應(yīng)用的核心需求，有必要解決其關(guān)鍵難題。

變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組采用基于風速的功率控制策略，對風能進行了最大捕獲。具體來說，在切入風速與額定風速間的預定范圍內(nèi)，該策略能夠有效調(diào)整機組的運行狀態(tài)，保證其在不同風速條件下均能高效利用風能。調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流、頻率等參數(shù)，以追蹤最優(yōu)輸出功率，并調(diào)整風機槳葉的傾斜角度，使其達到額定功率。研究結(jié)果顯示，以風速為基礎(chǔ)的風電機組功率控制策略有助于提升風電機組的風電利用率，為保證風電機組的穩(wěn)定、可靠運行提供支持。

參考文獻

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