基于功率參考值波動的風機控制策略改進

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的風機控制策略改進

王永耀

(大唐山西新能源有限公司，山西 太原 030032)

針對風電機組外部功率參考值下降時風機安全控制策略問題，以變速恒頻風電機組為對象，在常規(guī)控制策略基礎上提出了一種改進控制策略，并通過Simulink模型對不同控制策略下的仿真結果進行了對比和分析。結果表明：通過調(diào)節(jié)槳距角的改進控制策略能夠更好地適應機組故障等情況，可降低機械轉矩和電磁力矩震蕩，保證機組安全運行。

變速恒頻；風電機組；外部功率；波動；控制策略

0 引言

風力發(fā)電在減少煤炭等化石燃料消耗的同時，可有效降低污染物排放，對節(jié)能環(huán)保具有重要意義。由于風力發(fā)電波動性較大，電網(wǎng)對風電的接納能力有限，在國家電網(wǎng)公司制定的風電運行技術標準中，要求風電場根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令控制有功功率的輸出。風機功率通常與風速有著直接的關系，但也可以通過外部功率參考值將功率調(diào)低。當機組運行出現(xiàn)問題時，應及時降低機組功率或停機，避免因帶傷運行導致風機出現(xiàn)重大事故。機組的功率額定值調(diào)低，稱為額定值減少。額定值減少源包括操作者請求、元件高溫和電網(wǎng)事件，3者所對應的3個功率參考值中的最小值就是風機外部功率參考值。

1 模型分析

1.1 風力機數(shù)學模型

根據(jù)貝茲(Betz)理論，風力機單位時間內(nèi)捕獲的風能為：

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

當v與ρ一定時，風力機吸收風能能量取決于Cp。Cp是關于葉尖速比λ和槳距角β的高階非線性函數(shù)，3者關系如圖1所示。

1.2 傳動系統(tǒng)數(shù)學模型

風機系統(tǒng)傳動鏈模型為:

式中：ωg為發(fā)電機轉速;t為時間;Tm和Te分別為風機高速軸機械轉矩和發(fā)電機電磁力矩；J為傳動系統(tǒng)轉動慣量。

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

1.3 發(fā)電機模型

相比較于同步電機的勵磁，異步雙饋電機不僅可以調(diào)節(jié)勵磁電流幅值，還可以改變勵磁頻率和相位。通過改變勵磁頻率，可改變電機的轉速，從而達到調(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)生磁場的勵磁電流和產(chǎn)生轉矩的轉矩電流分別加以控制?，F(xiàn)重點研究功率參考值波動時變速恒頻機組功率控制，對異步雙饋電機不作過多討論，將發(fā)電機等效為一階慣性環(huán)節(jié)。其中，發(fā)電機輸出功率的計算公式為：

圖1 Cp與λ，β的對應關系

圖2 傳動系統(tǒng)仿真模塊

1.4 風能吸收計算模塊

根據(jù)式(1)設計風能吸收計算模塊，可以直觀觀測風輪所吸收能量，進一步比較不同控制策略下機組響應功率參考值的特性。風能吸收計算模塊如圖3所示。

2 控制策略

2.1 常規(guī)控制策略

現(xiàn)以某風電場運行機組為例，在機組正常運行全額上網(wǎng)情況下，變速風電機組控制策略：當風速和功率未達到額定值時，機組啟用部分功率控制器，根據(jù)當前最佳轉速和功率要求實現(xiàn)最大功率跟蹤；當風速和功率達到額定值時，機組啟用全功率控制器，根據(jù)當前最佳轉速與最佳槳距和推力限制的最大值，實現(xiàn)額定功率運行，如圖4所示。

圖3 風能吸收計算模塊

圖4 常規(guī)控制策略

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

2.2 改進控制策略

當機組外部功率參考值下降，常規(guī)控制策略僅限于調(diào)整轉矩參考值，未能利用風機槳距角來限制風輪吸收風能?，F(xiàn)在常規(guī)控制策略基礎上進行改進，如圖5所示。

在轉矩參考值計算中，仍然采用常規(guī)控制策略。在槳距參考值計算方面，根據(jù)功率參考值與實際功率大小關系對槳距角進行調(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)槳距角控制風輪吸收風能，針對可能發(fā)生的停機提前調(diào)整槳葉位置，能更好適應功率下降的情況。

圖5 改進控制策略

3 外部功率參考值及額定值減少源

通常，風機功率與風速有著直接關系，但也可以通過外部功率參考值將功率調(diào)低，即機組的額定值減少。

3.1 減少源

外部功率參考值被選作3組額定值減少源(操作者請求、元件高溫、電網(wǎng)事件)設定的幾個參考值的最小值，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鏈上的載荷，過低地減少外部功率參考值，可能會導致變速箱內(nèi)不必要的后沖。最小功率參考值取決于風速，其與風速對應關系如圖7所示。

上述分析可知，額定值降低具有多個減少源。

現(xiàn)以齒輪軸承溫度為例，進一步討論減少源與額定值降低之間的關系。

圖7 最小功率參考值與風速對應曲線

3.2 齒輪軸承溫度對額定值降低的影響

當齒輪軸承溫度低于額定溫度40℃時，風機額定值不受影響；當齒輪軸承溫度超過40℃時，風機功率額定值隨著齒輪軸承溫度的升高呈反比例下降趨勢。當齒輪軸承溫度達到報警極限溫度45℃時，風機功率降為最低額定值；當齒輪軸承溫度達到50℃時，風機將停機，如圖8所示。

圖8 齒輪軸承溫度與風機功率額定值百分比之間關系

4 仿真驗證

4.1 仿真條件

為驗證控制策略的正確性，采用Matlab/Simulink仿真軟件建立風機模型。風機切入風速為 3.5m/s，額定風速為 12.5m/s，發(fā)電機最低轉速為0.5p.u.(0.5倍的額定轉速)，最高轉速為1.2p.u.(1.2 倍的額定轉速)。

現(xiàn)以圖8的功率曲線為例，假設風速始終處于額定風速以上，并以此為研究對象，針對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 結果分析

在風速達到額定風速且系統(tǒng)工況穩(wěn)定條件下，機組額定功率變化情況如圖8所示，仿真結果如圖11所示。

由圖11可知，在機組額定功率下降情況下，常規(guī)控制策略與改進控制策略功率跟蹤效果基本一致，不同控制策略下發(fā)電機轉速響應結果也基本一致。但相比于常規(guī)策略，改進策略能夠提前調(diào)節(jié)槳距角更好地適應機組停機并控制風輪吸收風能，有效減少機械轉矩和電磁力矩震蕩，從而更好地保證機組安全運行。

圖10 改進控制策略仿真模塊

圖11 仿真結果

5 結束語

由于風力發(fā)電波動性較大，電網(wǎng)對風電的接納能力有限，在國家電網(wǎng)公司制定的風電運行技術標準中，要求風電場能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令控制有功功率的輸出。風機功率通常與風速直接相關，但也可以通過外部功率參考值將功率調(diào)低。以變速恒頻風電機組為對象，研究機組處于功率參考值波動時，在常規(guī)控制策略與改進控制策略情況下的安全性和響應特性。仿真結果表明：改進控制策略可以更快調(diào)節(jié)機組出力和轉矩，為機組的安全運行提供保障。

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

2肖運啟，賀貫舉．大型風電機組限功率運行特性分析及其優(yōu)化調(diào)度[J]．電力系統(tǒng)自動化，2014，38(20)：18-25.

《電力安全技術》投稿簡則

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2017-03-18。

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