雙饋風(fēng)力發(fā)電機功率管理控制算法研究

孟新光 邵勤豐

摘 要：隨著風(fēng)電發(fā)電在電網(wǎng)中比例的提高，要求各個風(fēng)力發(fā)電場具備功率管理功能。風(fēng)電場接受電網(wǎng)調(diào)度的有功功率指令，分配下發(fā)給各個風(fēng)機，各個風(fēng)機根據(jù)下發(fā)的功率管理指令，穩(wěn)定快速準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)風(fēng)機有功功率輸出。本文對如何提高單臺風(fēng)機快速穩(wěn)定響應(yīng)調(diào)度指令進行研究。提出一種利用率較高，穩(wěn)定，快速的一種方法。經(jīng)過長時間現(xiàn)場應(yīng)用，運行效果良好。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機;功率管理

0.前言

目前功率控制技術(shù)中多采用調(diào)節(jié)扭矩的方式來實現(xiàn)功率輸出的調(diào)節(jié)。該方法雖然實現(xiàn)起來簡單，但在風(fēng)況在中等以上時，降低扭矩增加了變槳系統(tǒng)的負擔(dān)，并且增大了風(fēng)力發(fā)電機超速停機的可能性。因為在風(fēng)況在中等以上的情況下，風(fēng)力發(fā)電機工作在額定轉(zhuǎn)速下，降低扭矩的阻力，風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速受風(fēng)的影響增大，要控制好轉(zhuǎn)速，則變槳系統(tǒng)工作負擔(dān)加重，并且在湍流風(fēng)的影響下，風(fēng)力發(fā)電機超速停機的可能性也增加。

本文介紹一種風(fēng)機單機有功功率管理的控制策略，實現(xiàn)穩(wěn)定、快速調(diào)節(jié)有功功率輸出。主要特點是：最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點的計算;風(fēng)機調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)工作點的方法。其中穩(wěn)態(tài)工作點的計算采用了保持風(fēng)機控制策略算法的完備性的情況下，計算出最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)工作點;率管理的調(diào)節(jié)范圍從0到額定功率;綜合考慮風(fēng)機葉片、風(fēng)機變槳系統(tǒng)和變流器系統(tǒng)的工作性能;穩(wěn)態(tài)工作點的調(diào)節(jié)方式，設(shè)定轉(zhuǎn)速采用加速度的方法進行調(diào)節(jié)，設(shè)定轉(zhuǎn)矩以恒定速度進行調(diào)節(jié)。

1.雙饋風(fēng)力發(fā)電機主控制算法

雙饋風(fēng)力發(fā)電機主控制算法常見的有兩種，圖1中的A-B1-C1-E和A-B-C-E，其中A-B-C-E為早期算法，稱查表發(fā)，風(fēng)機在正常發(fā)電狀態(tài)時，有兩個運行環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩查表控制和變槳控制。轉(zhuǎn)矩查表環(huán)節(jié)發(fā)生在額定風(fēng)速以下階段，槳葉完全打開，主控根據(jù)實時的轉(zhuǎn)速查表得到發(fā)電機轉(zhuǎn)矩值。變槳控制環(huán)節(jié)發(fā)生在額定風(fēng)速以上，發(fā)電機轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩，通過變槳系統(tǒng)調(diào)節(jié)能量捕獲控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速。

A-B1-C1-E為轉(zhuǎn)矩雙PI控制算法。風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時，A-B1和C1-E兩個階段是通過轉(zhuǎn)矩PI控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持在恒定轉(zhuǎn)速。B1-C1為轉(zhuǎn)矩查表法。風(fēng)速大于額定風(fēng)速，依然是變槳控制環(huán)節(jié)。

2.工作點的計算

常規(guī)的大功率風(fēng)力發(fā)電機，通常采用3個槳葉。每種翼型的槳葉都有一個最優(yōu)風(fēng)速功率曲線，如圖1中農(nóng)紅色的曲線。當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速和發(fā)電機轉(zhuǎn)矩對應(yīng)點落在這條曲線上時，風(fēng)能的利用率達到最高。當(dāng)風(fēng)機處于功率控制狀態(tài)時，設(shè)定轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)矩不能落在這條曲線上時，并且此時捕獲的功率小于設(shè)定功率時，就不能達到風(fēng)能利用率的最大化。因此在功率管理工作點的計算時需要根據(jù)風(fēng)機接受到的有功功率值，結(jié)合風(fēng)機葉片翼型的最優(yōu)Cp曲線計算相應(yīng)的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點，計算出相應(yīng)的設(shè)定轉(zhuǎn)速值和設(shè)定轉(zhuǎn)矩值。這樣就保證了即使風(fēng)機工作在功率管理的狀態(tài)下，依然可以保證風(fēng)速對應(yīng)功率小于功率管理給定功率的工況時，風(fēng)機依然保持最優(yōu)Cp，能量捕獲和轉(zhuǎn)換的效率最高。

圖 1

因為雙饋風(fēng)力發(fā)電機的變流器有最小工作轉(zhuǎn)速，因此在風(fēng)機實際運行中采用的工作線路是A-B1-C1-E或者A-B-C-E。因此在的功率管理時，計算新的穩(wěn)態(tài)工作點要根據(jù)風(fēng)電場下發(fā)給風(fēng)機的有功功率指令在A-B1-C1-E曲線或者A-B-C-E曲線上面找，這樣就保證了在工況到達穩(wěn)態(tài)工作點之前時，風(fēng)機依然保持和非功率管理情況下同樣的工作狀態(tài)。點的計算以X軸為轉(zhuǎn)速，Y軸為轉(zhuǎn)矩，因此每個點都唯一對應(yīng)一個有功功率值，一個有功功率設(shè)定值也唯一對應(yīng)一組設(shè)定轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)矩值。功率管理設(shè)定值的范圍從0kw到額定功率。

3.快速平穩(wěn)的動態(tài)調(diào)節(jié)

當(dāng)處于功率管理狀態(tài)時，風(fēng)力發(fā)電機組接受到新的功率管理設(shè)定值時，快速調(diào)節(jié)風(fēng)機的穩(wěn)態(tài)工作點，根據(jù)不同工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)風(fēng)機穩(wěn)態(tài)工作點方式不盡相同，必須結(jié)合考慮風(fēng)機的平穩(wěn)運行，再確定調(diào)節(jié)設(shè)定轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)矩的方式，再綜合考慮風(fēng)機變槳系統(tǒng)和變流器系統(tǒng)的響應(yīng)能力，以平穩(wěn)且最優(yōu)的調(diào)節(jié)速率調(diào)節(jié)設(shè)定轉(zhuǎn)速值和設(shè)定轉(zhuǎn)矩值。

根據(jù)穩(wěn)定工作點計算出相應(yīng)的設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速值值V目 和設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值Q目 。對風(fēng)力發(fā)電機進行調(diào)節(jié);所述調(diào)節(jié)的方式分兩部分：設(shè)定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和設(shè)定轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。

設(shè)定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)具體是指：設(shè)定一設(shè)定轉(zhuǎn)速V設(shè) ，在控制周期內(nèi)分別與風(fēng)力發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速值V實 和設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速值V目 相對比;當(dāng)設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速值V目 與設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè) 的差的絕對值大于100，則判斷設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè)與發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速值V實的差值。當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè)與發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速值的差值滿足? ? ? ? ? ? ? ? ?，t表示調(diào)節(jié)周期。則下一控制

周期內(nèi)設(shè)定轉(zhuǎn)速值V′設(shè) 改變，即? ? ? ? ? ? ? ? 。當(dāng)? ? ? ? ? ? ? ?，則下一控制周期內(nèi)設(shè)定轉(zhuǎn)速值設(shè)V′設(shè) 不變，即V′設(shè)=V設(shè) 。等待發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速值V實 上升或下降至V′設(shè) ，然后繼續(xù)增加或減小設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè) ，直至設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè) 接近設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速值V目 ，即滿足

│V目-V實│≤100 。當(dāng)│V設(shè)-V實│<10 則下一控制周期內(nèi)設(shè)定轉(zhuǎn)速值V″設(shè)=V設(shè)±10 ，當(dāng)│V設(shè)-V實│≥10 則下一控制周期內(nèi)設(shè)定轉(zhuǎn)速值V″設(shè)=V設(shè)。等待發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速值V實 上升或下降至V″設(shè) ，然后繼續(xù)增加或減小設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè) ，直至設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè)與設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速值V目 相等，然后將發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速值V實 上升或下降至V目 。

設(shè)定轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)具體是指：在每個控制周期內(nèi)以一個固定值Qα 進行調(diào)節(jié)，直至發(fā)電機實際轉(zhuǎn)矩值Q實 與設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值Q目 相等;所述固定值

，t表示調(diào)節(jié)周期，Q額 表示發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)矩。

降功率時采用同樣的方法，反之即可。

圖 2

以1.5MW雙饋型風(fēng)力發(fā)電機為例。額定轉(zhuǎn)矩為8469N.M。以300N.M/s的速度進行調(diào)節(jié)。無論是升功率還是降功率都以300N.N/s 的速率調(diào)節(jié)。這樣保證了最大的調(diào)節(jié)周期在30秒以內(nèi)。

圖 3

4運行效果

目前此方法已在風(fēng)力發(fā)電場現(xiàn)場使用中，運行效果良好，如圖3所示。其中備有3為功率管理的設(shè)定功率值。從圖可以看到，風(fēng)機有功功率值跟隨有功功率設(shè)定值跟隨的快速準(zhǔn)確。

5結(jié)論

在實際的應(yīng)用中，此方法可以實現(xiàn)穩(wěn)定快速的功率調(diào)節(jié)響應(yīng)。未來需要進一步研究的方向：精確最優(yōu)工作點計算的，需要考慮海拔、溫度、氣壓等因素的影響;設(shè)定目標(biāo)值的調(diào)節(jié)采用完全閉環(huán)PID調(diào)節(jié);當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩不再是額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩時，整機運行算法參數(shù)的整定。

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