風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)研究

趙海軍

（中廣核風(fēng)電公司 內(nèi)蒙古分公司響泉風(fēng)電場(chǎng)，內(nèi)蒙古 錫林郭勒盟026000）

0 引言

在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天，風(fēng)能的開發(fā)利用具有積極的戰(zhàn)略意義。特別是在能源供求日趨緊張的情況下，風(fēng)能作為一種替代能源的意義就更加突出。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行方式和控制技術(shù)的不同可以分為恒速恒頻系統(tǒng)和變速恒頻系統(tǒng)，其中變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠更高效地利用風(fēng)能。

并網(wǎng)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般由風(fēng)輪、齒輪箱（在直驅(qū)方式中已略去齒輪箱）、發(fā)電機(jī)和變流設(shè)備組成，如圖1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框國(guó)所示。風(fēng)輪的作用是捕捉風(fēng)能，并將之轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；發(fā)電機(jī)則將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；變流設(shè)備將發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率幅值隨風(fēng)速波動(dòng)的交流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻同幅的交流電，然后饋送至電網(wǎng)。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括2種運(yùn)行狀態(tài)：

1）最大風(fēng)能追蹤狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著風(fēng)速的波動(dòng)而不斷變化，以維持最佳葉尖速比及最大風(fēng)能利用系數(shù)，從而有效提高風(fēng)機(jī)的輸出功率。

2）額定功率運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，通過調(diào)節(jié)葉片槳距角和抑制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，降低風(fēng)輪的風(fēng)能捕獲效率，保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行在額定工作點(diǎn)附近。

可見，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行控制在不同的運(yùn)行狀態(tài)有不同的控制策略：

1）最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT控制）：當(dāng)實(shí)際風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制，保證機(jī)組運(yùn)行在最大風(fēng)能追蹤狀態(tài)下，最大限度地捕獲風(fēng)能。

2）恒功率控制：當(dāng)實(shí)際風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度、發(fā)電機(jī)容量和變頻器容量等限制，必須降低風(fēng)輪捕獲的能量，使功率保持在額定值附近。

實(shí)際的風(fēng)電機(jī)組常通過電氣功率調(diào)節(jié)和葉片技術(shù)2種手段實(shí)現(xiàn)上述控制目標(biāo)。前者是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)和變流設(shè)備的電氣功率來(lái)改變風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而間接改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)化風(fēng)能的效率；后者主要利用葉片的空氣動(dòng)力學(xué)特性，如變槳距技術(shù)和失速狀態(tài)，來(lái)直接改變風(fēng)輪的捕風(fēng)效率。

下面，本文將對(duì)MPPT控制策略和恒功率控制策略的原理及它們常用的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究和總結(jié)。

1 MPPT控制

1.1 MPPT控制的原理

根據(jù)貝茲理論，風(fēng)輪從風(fēng)能中吸收的功率可以表示為：

式中：P 為空氣密度，kg/m3；R 為風(fēng)輪的半徑，m；v 為風(fēng)速，m/s；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，反映了風(fēng)輪機(jī)利用風(fēng)能的效率，它是葉尖速比λ和葉片槳距角β的函數(shù)。而葉尖速比為：

式中：ωr為風(fēng)輪機(jī)械角速度，rad·s。

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于最大風(fēng)能追蹤狀態(tài)時(shí)，槳距角固定。此時(shí)，Cp的值決定于λ。對(duì)于特定的風(fēng)力機(jī)，其Cp－λ曲線是一定的。

可見，當(dāng)λ為λopt時(shí)風(fēng)力機(jī)達(dá)到最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax因而稱λopt為最佳葉尖速比。由式（2）可知當(dāng)λ為λopt時(shí)，不同的風(fēng)速均對(duì)應(yīng)一特定的最優(yōu)轉(zhuǎn)速ωropt。

其中，各曲線最優(yōu)功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為最優(yōu)轉(zhuǎn)速ωropt。連接各曲線的最優(yōu)功率點(diǎn)即得風(fēng)力機(jī)最優(yōu)功率曲線。

MPPT控制的原理即，在不同風(fēng)速下通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速使其始終運(yùn)行于最優(yōu)轉(zhuǎn)速。以保證最佳葉尖速比，進(jìn)而保證風(fēng)力機(jī)運(yùn)行于最優(yōu)功率曲線上，最大限度地捕獲風(fēng)能。

1.2 MPPT控制的實(shí)現(xiàn)方法

MPPT控制一般采用電磁功率控制方式，目前最大風(fēng)能跟蹤主要有3種控制策略：葉尖速比控制、功率信號(hào)反饋法和爬山搜索法。

1.2.1 葉尖速比法

葉尖速比控制的目的是使風(fēng)力機(jī)的葉尖速比λ始終保持在最佳值λopt上，在任何風(fēng)速時(shí)就可獲得最大風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。它不斷測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算出實(shí)際葉尖速比，將其同最優(yōu)葉尖速比相比較，將其誤差送入控制器，控制器控制逆變器的輸出來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而保證葉尖速比最優(yōu)。

該方案能有效根據(jù)風(fēng)速變化及時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出功率，控制方法簡(jiǎn)潔清晰，但是需要知 道風(fēng)力機(jī)特性和測(cè)量風(fēng)速，風(fēng)速測(cè)量的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。

1.2.2 功率信號(hào)反饋法

該方案不需要知道確切的風(fēng)力機(jī)特性，也不需要相關(guān)的測(cè)風(fēng)裝置。當(dāng)風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至發(fā)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)力機(jī)特征參數(shù)計(jì)算出給定功率，并與發(fā)電機(jī)輸出功率的觀測(cè)值相比較得到誤差量。經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器），就是對(duì)偏差乘以一個(gè)倍數(shù)P，再疊加這個(gè)偏差的積分I作用，利用這個(gè)量實(shí)施控制，調(diào)節(jié)器輸出反饋參數(shù)，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定）給出發(fā)電機(jī)可控參數(shù)值，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電流的大小，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)。

該方案是基于葉尖速比控制方案的修改提高方案，不同之處在于將輸出功率與風(fēng)速之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換成輸出功率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，從而引轉(zhuǎn)速反饋，可使系統(tǒng)工作在最佳功 率負(fù)載線附近，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更可靠。

這種方法的缺點(diǎn)是：對(duì)于不同的風(fēng)力機(jī)，最大功率曲線需要事先通過仿真或試驗(yàn)測(cè)得，這增加了率反饋控制難度和實(shí)際應(yīng)用成本。

通過控制發(fā)電機(jī)輸出功率來(lái)間接控制風(fēng)力機(jī)的輸入功率，以實(shí)現(xiàn)需檢測(cè)風(fēng)速的最大功率點(diǎn)跟蹤。也有文獻(xiàn)將功率信號(hào)反饋法與爬山法相結(jié)合設(shè)計(jì)了一種混合控制略，克服了功率信號(hào)反饋法的缺陷。

2 恒功率控制

2.1 恒功率控制的原理

由1.1節(jié)可知，Cp是葉尖速比λ和葉片槳距角β的函數(shù)典型Cp（λ，β）曲線。

可知：1）當(dāng)λ為恒定值時(shí)，增大槳距角β則Cp減?。t色虛線所示）；2）當(dāng)λ為恒定值時(shí)，λ偏離最佳葉尖速比λopt時(shí)，Cp迅速減小。

恒功率控制的原理即，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，通過調(diào)節(jié)葉尖速比λ或槳距角β（或同時(shí)調(diào)節(jié)λ和β）以減小Cp值，從而減少風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能，保證風(fēng)力機(jī)處于額定功率運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 恒功率控制的實(shí)現(xiàn)方法

額定風(fēng)速上的恒功率控制的實(shí)現(xiàn)方法主要是葉片技術(shù)，應(yīng)用較廣泛的是定槳距失速控制和變槳距控制。

2.2.1 定槳距失速控制

該控制方式利用槳葉翼型本身的失速特性，在高于額定風(fēng)速下，氣流的功角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生紊流，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速減小，導(dǎo)致葉尖速比減小，即降低風(fēng)能利用效率，達(dá)到限制功率的目的。采用這種方式的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單可靠，但為了產(chǎn)生失速效應(yīng)，導(dǎo)致葉片重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)組的整體效率較低，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)必須停機(jī)。

2.2.2 變槳距控制

該控制方式通過調(diào)節(jié)風(fēng)葉的槳距角，改變氣流對(duì)葉片功角，從而改變風(fēng)輪獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，使得當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率保持恒定。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)涵蓋面廣，控制對(duì)象復(fù)雜的非線性隨機(jī)系統(tǒng)，因而其變槳距控制是一類非線性多變量控制問題。 變槳距控制策略有傳統(tǒng)的PI控制及其改進(jìn)控制策略，也有先進(jìn)的智能控制，例如模糊控制、滑膜控制、非線性魯棒控制和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制等。

PID控制雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是對(duì)于不同的風(fēng)機(jī)需要進(jìn)行大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)才能確定最優(yōu)的PID控制參數(shù)，并且當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行偏離平衡點(diǎn)時(shí)，其控制性能嚴(yán)重降低甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

許多學(xué)者將模糊控制法用于設(shè)計(jì)變槳距控制器，取得了較好的控制效果。此外，非線性 魯棒控制、滑膜變結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、變論域自適應(yīng)模糊等先進(jìn)控制策略也在變槳距控制中得到應(yīng)用。

3 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電是一個(gè)廣泛的領(lǐng)域的研究前景，人們繼續(xù)增加他們的重視程度，及其相關(guān)領(lǐng)域正在發(fā)生著日新月異的變化。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略對(duì)系統(tǒng)效率，安全性和供電質(zhì)量有直接關(guān)系。 MPPT控制，最優(yōu)控制，基于智能控制的最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略將是未來(lái)的發(fā)展方向。通過經(jīng)典的控制，以先進(jìn)的智能控制，恒功率控制的控制處理的對(duì)象的局部線性化方法研制而成的線性控制，更好地整合系統(tǒng)的非線性特性，提高控制器和系統(tǒng)控制的魯棒性的效果。