兆瓦級風(fēng)電機組的功率曲線優(yōu)化策略

馬靖聰

（大連尚佳新能源科技有限公司，遼寧 大連116000）

1 功率曲線優(yōu)化原理

在風(fēng)機控制系統(tǒng)中，風(fēng)機將葉片吸收的風(fēng)能，經(jīng)齒輪箱、傳動軸和發(fā)電機等機械部件的損耗，將得到的能量轉(zhuǎn)化為電能輸送到電網(wǎng)。而單機容量加大，兆瓦級機組葉片也隨之加大，此時葉輪的質(zhì)量就不能忽視。在風(fēng)機的實際運行中，面臨風(fēng)速的變化性大的特點，因為葉輪質(zhì)量大，就存在較大的轉(zhuǎn)動慣量，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不能及時跟蹤風(fēng)速變化，因此考慮葉輪轉(zhuǎn)動慣量的因素，對于更精確的追蹤風(fēng)能而言是必要的[2]。

目前老舊機組的功率曲線不能達到機組設(shè)計初期保證值，主要表現(xiàn)在原有控制程序算法中, 低風(fēng)速階段槳距角沒有實現(xiàn)動態(tài)控制，低風(fēng)速和高風(fēng)速兩個轉(zhuǎn)速控制階段控制響應(yīng)速度不夠優(yōu)化，導(dǎo)致在各個風(fēng)速區(qū)間測量發(fā)電量與保證發(fā)電量差別較大。在主控程序控制算法方面主要從以上兩個方面進行改進。另外，主控PLC 軟件的設(shè)置參數(shù)和設(shè)備選型往往采用默認(rèn)參數(shù)，沒有針對每臺風(fēng)機做精確校準(zhǔn),導(dǎo)致長期的發(fā)電量損失。此外，主控PLC 軟件控制參數(shù)也有需要重新調(diào)整的地方，比如某臺1.5MW 風(fēng)機的額定轉(zhuǎn)速是1800rpm，但是該風(fēng)機由于參數(shù)設(shè)置問題，導(dǎo)致風(fēng)機高風(fēng)速時轉(zhuǎn)速無法達到1800rpm，風(fēng)機發(fā)電功率不能達到1.5MW，這就會嚴(yán)重影響風(fēng)機的發(fā)電量。

風(fēng)機的轉(zhuǎn)矩控制系數(shù)與空氣密度直接相關(guān)，由于每臺風(fēng)機所處的地理位置不同，海拔高度和環(huán)境溫度會對空氣密度產(chǎn)生較大的影響，為了在各種環(huán)境情況下保證風(fēng)機的可利用率Cp處于最佳功率曲線上，需要根據(jù)環(huán)境溫度和海拔高度計算出空氣密度，再使用當(dāng)前葉片角度實時計算轉(zhuǎn)矩系數(shù)。此外，在高風(fēng)速時，風(fēng)機需要切除運行，目前設(shè)置的重新工作風(fēng)速較低，造成很大一段高風(fēng)速區(qū)間內(nèi)風(fēng)機不運行，因此，風(fēng)機的切入切出風(fēng)速也需要優(yōu)化設(shè)置。由于風(fēng)速突變、三個槳葉受力不均等原因，會引起風(fēng)機塔筒振動，對風(fēng)機發(fā)電量和安全運行造成不利影響。因此，需要在風(fēng)機變槳控制中加入自動阻尼控制策略，減小風(fēng)機振動，延長風(fēng)機壽命并提高發(fā)電量[1]。針對以上問題，本文將提出幾種算法對老舊機組進行改進。

2 最優(yōu)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速運行控制

其中葉輪最優(yōu)轉(zhuǎn)矩計算公式為：Tr=K*W^2，其中Tr 為葉輪最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，W 為發(fā)電機轉(zhuǎn)速,K 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速控制方法中最優(yōu)電磁轉(zhuǎn)矩計算公式為：Te=K'*Tr,Te 為葉輪最優(yōu)轉(zhuǎn)矩，K'為轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化效率。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速控制方法中在主控系統(tǒng)中通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)速的實時監(jiān)測，按對應(yīng)的表格對發(fā)電機的轉(zhuǎn)距進行設(shè)定，使發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)距實時跟蹤控制程序中的設(shè)定值，從而實現(xiàn)在低于額定風(fēng)速下的最大功率跟蹤。查表控制是廣泛采用的控制方法，控制比較容易實現(xiàn)，但是控制響應(yīng)慢，精度低。而且在風(fēng)頻變化較快時候，容易產(chǎn)生偏差，并引起機組的振動。在控制過程中，其轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速曲線要盡可能在最佳Cp 曲線上，達到這種要求的曲線就可以稱之為先進的控制算法。

先進的控制算法指的是首先通過特殊的變槳控制算法，使風(fēng)機的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速曲線從不好的運行區(qū)間調(diào)整到更優(yōu)秀的運行區(qū)間；然后適當(dāng)拓展發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍，讓風(fēng)機運行在最佳葉尖速比的風(fēng)速區(qū)間增加。

當(dāng)環(huán)境溫度很高的時候，超出齒輪箱的冷卻系統(tǒng)極限能力后，風(fēng)機進入限功率狀態(tài)。老舊機組的限功率方案是維持發(fā)電機轉(zhuǎn)速在1800rpm,降低發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩，但是齒輪箱的產(chǎn)熱量和發(fā)電機轉(zhuǎn)速關(guān)系比較大，這樣風(fēng)機的輸出功率很快就穩(wěn)定在400KW 左右；文中的限功率方案為同時降低發(fā)電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，這樣齒輪箱的產(chǎn)熱量就比之前的方案要少，風(fēng)機可以發(fā)出更多的電能[3]。

3 變槳雙PI 控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制

兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組主要通過PLC 控制器來對機組進行控制，主控PLC 軟件功率控制功能塊采用了轉(zhuǎn)矩控制和變槳控制相耦合的方式。通常來講，在風(fēng)速遠(yuǎn)小于額定風(fēng)速以下時，通過轉(zhuǎn)矩控制以維持最佳葉尖速比，以追求最大風(fēng)能利用系數(shù)；在額定風(fēng)速以上拐點處，如果風(fēng)速波動很大，就要通過適當(dāng)?shù)淖儤獊韺崿F(xiàn)平滑的過渡[4]。當(dāng)風(fēng)速滿足風(fēng)電機組可以輸出全部出力的時候，轉(zhuǎn)速控制環(huán)和變槳控制環(huán)會同時發(fā)揮作用，通過兩者的協(xié)調(diào)控制保持轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的最終恒定運行，這也就可以使得機組可以輸出恒定的功率。在風(fēng)速不能達到機組滿載運行的時候，主控PLC 會通過不停地控制變槳變頻器來控制葉片的角度，從而使得機組發(fā)電機轉(zhuǎn)速間接得到控制，最終達到我們想要的轉(zhuǎn)速跟蹤效果，這種控制方式其實也被叫做雙PI 控制方法，是由兩個簡單的PI 環(huán)節(jié)組成。但是額定風(fēng)速以上風(fēng)機系統(tǒng)模型的強烈非線性使得控制器參數(shù)選擇比較困難，需要特別設(shè)計。在機組發(fā)電運行當(dāng)中速度控制器和槳葉角度控制器是同時運行的，為了使這兩個控制器能夠完美的耦合在一起，當(dāng)自然風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定風(fēng)速或遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定風(fēng)速時，系統(tǒng)就會使兩個控制環(huán)當(dāng)中的一個環(huán)達到飽和狀態(tài)。也就是說，在風(fēng)電機組運行的大多數(shù)時間里還是只有一個控制器處于激活狀態(tài)的，這種狀態(tài)可以持續(xù)到當(dāng)機組運行到接近額定轉(zhuǎn)速的時刻，這個時候可以考慮建立相互作用的雙環(huán)控制，用來達到平順的過渡。

變槳的雙PI 控制結(jié)構(gòu)在變槳轉(zhuǎn)速PI 控制中，輸入?yún)?shù)為發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速以及目標(biāo)轉(zhuǎn)速，輸出為變槳角度指令Ⅰ；在變槳轉(zhuǎn)矩PI 控制，輸入為實際功率（轉(zhuǎn)矩）和目標(biāo)功率（轉(zhuǎn)矩）輸出為變槳角度指令Ⅱ。變槳角度指令Ⅰ和變槳角度指令Ⅱ相加為最終變槳角度輸指令。采用轉(zhuǎn)速雙PI 控制，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩- 轉(zhuǎn)速曲線最優(yōu)Cp 曲線，在處于最佳Cp 曲線上時，讓風(fēng)機能在更大的功率范圍內(nèi)跟蹤最佳Cp 曲線，優(yōu)化了機組的功率曲線，從而獲得更多的發(fā)電量。

4 轉(zhuǎn)動慣量補償

風(fēng)機通過葉片所吸收的風(fēng)能Ei，通過齒輪箱、傳動軸等機械部件損耗Em，以及發(fā)電機等電氣部件等的損耗Ee，最終得到的能量Eg 轉(zhuǎn)化為電能輸送到電網(wǎng)。公式為：Eg=Ei-Em-Ee。隨著單機容量不斷的加大，兆瓦級機組的葉片也在不斷加大，葉輪的質(zhì)量就不能忽視。實際運行中，風(fēng)速的變化性非常大，但是由于葉輪較大的質(zhì)量，存在較大的轉(zhuǎn)動慣量I，發(fā)電機轉(zhuǎn)速不可能很快的跟蹤風(fēng)速的變化，因此考慮葉輪轉(zhuǎn)動慣量的因素，對于更精確的追蹤風(fēng)能是更為有利的，公式就轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

Eg=Ei-Em-Ee-（I*ω^2）/2，其中ω 為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。

以上能量關(guān)系體現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩控制上，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為：

Torque_generator=Torque_rotor-Torque_loss-Iω'。 其 中 ，Torque_generator 為發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩，Torque_rotor 為風(fēng)輪獲得的轉(zhuǎn)矩，Torque_loss 為機械損耗轉(zhuǎn)矩，ω'為風(fēng)輪加速度。由之前公式可見，在考慮風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量的情況下，發(fā)電機轉(zhuǎn)矩和風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩之間存在一定的差異，在風(fēng)機控制上，是通過調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤，但是實際受控的是發(fā)電機轉(zhuǎn)矩。因此，考慮到葉輪轉(zhuǎn)動慣量造成的轉(zhuǎn)矩誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的轉(zhuǎn)矩控制以及更快速的響應(yīng)風(fēng)速變化，從而提高發(fā)電量。

當(dāng)風(fēng)速增大時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速需要響應(yīng)升高以實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。在不考慮轉(zhuǎn)動慣量的情況下，采用原有控制策略，需要約30s 時間風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩才能達到穩(wěn)定。在控制中加入轉(zhuǎn)動慣量補償之后，發(fā)電機轉(zhuǎn)矩先下降，以利于轉(zhuǎn)速更快升高，可見20s 之后風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩即可以達到穩(wěn)定，比原控制方案響應(yīng)時間縮短10s，從而能夠更快響應(yīng)風(fēng)速的變化，盡快進入最大風(fēng)能跟蹤狀態(tài)，提高發(fā)電量。

5 結(jié)論

本文主要針對兆瓦級風(fēng)電機組的控制策略進行優(yōu)化，在對PLC 軟件控制環(huán)節(jié)進行以上幾點優(yōu)化后，可以使得機組的涉及轉(zhuǎn)速參數(shù)的響應(yīng)得到了明顯的提升，這也就為老舊機組的控制策略更新提供了建設(shè)性的思路。