風力發(fā)電變槳控制系統(tǒng)設(shè)計研究

馮曉超 詹云霄

摘 要 如今，風力發(fā)電十分普遍，為保障電力供應(yīng)充足做出了極大貢獻。在此環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員極為重視風力發(fā)電的變槳系統(tǒng)控制工作?；诖耍疚闹塾陔p饋異步發(fā)電機，對此類發(fā)電機組的特性進行了分析，并對其變槳控制系統(tǒng)設(shè)計要點進行了論述，希望能為相關(guān)工作人員帶來參考。

關(guān)鍵詞 風力發(fā)電;變槳控制系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計;發(fā)電機組

前言

風力發(fā)電機組是實現(xiàn)風能與電能轉(zhuǎn)換的重要裝置，對發(fā)電機組進行深入研究更有助于提高其運行效率。因此，在實踐工作中相關(guān)工作人員應(yīng)該對雙饋異步發(fā)電機的變槳控制系統(tǒng)加以研究，進而實現(xiàn)該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，為保證雙饋異步發(fā)電機的有效運行奠定基礎(chǔ)。

1雙饋異步發(fā)電機組概況

雙饋異步發(fā)電機是一種十分常見的風能發(fā)電機組，其整體由五大裝置和四大系統(tǒng)構(gòu)成，其中變槳控制系統(tǒng)是機組的核心所在。此類型發(fā)電機組具備局部功率變頻的特點，所以當其出現(xiàn)電壓跌落時極容易引發(fā)脫網(wǎng)問題[1]。在雙饋異步發(fā)電機組運行環(huán)節(jié)，主要以風輪捕獲風能，該裝置是風機的重要部件，其運行有效性將會對發(fā)電機組的能量轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生直接影響。當葉片處于最佳槳距角位置時，可跟蹤最大風能，風輪吸收功率與風速成正比關(guān)系，發(fā)電機組將基于定將距模式運行。

現(xiàn)階段，雙饋異步發(fā)電機組變槳距控制技術(shù)具備明顯的啟動和制動特性。若在雙饋異步發(fā)電機變槳控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)之下機組變槳距離與啟動條件相符，則風輪的啟動力矩數(shù)值越高，越有助于定槳距系統(tǒng)的機組啟動。而且，為避免風力發(fā)電機組脫網(wǎng)而對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，在脫網(wǎng)時應(yīng)將發(fā)電機組功率為0。從雙饋異步發(fā)電機組的角度來看，機組在基于額定風速以上運行時，變槳控制系統(tǒng)最為重要的功能就是可對機組吸收的能量多寡進行有效調(diào)節(jié)，進而始終保持輸出功率與額定功率點持平。

2雙饋異步發(fā)電變槳控制系統(tǒng)設(shè)計

在變槳控制系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計人員大多選用Bladed軟件和MATLAB軟件作業(yè)，前者可幫助設(shè)計人員構(gòu)建完整的風機線性化模型，而后者則可以對發(fā)電機的控制機器進行合理設(shè)計，還能有效校對控制器時間和頻率[2]?；诖耍疚膶σ訫ATLAB軟件開展的發(fā)電機變槳控制系統(tǒng)設(shè)計進行了分析。

2.1 變槳控制器設(shè)計

MATLAB軟件是一種可用于算法開發(fā)和數(shù)據(jù)可視化的商業(yè)數(shù)學軟件，將其應(yīng)用能在變槳控制器設(shè)計環(huán)節(jié)十分可行。在設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)該先建立變槳控制系統(tǒng)的模型，當風速不同時不同模型間也存在較大差異。因此，在設(shè)計控制器時，應(yīng)該依照不同風速進行分別設(shè)計。比如，分別設(shè)計12m/s、14m/s、18m/s和22m/s風速下的控制器。此時，需要先利用MATLAB軟件將變槳控制器的控制對象模型進行合理導出而后在開展設(shè)計工作。此時，可將變槳控制器的傳遞函數(shù)設(shè)為：

在此環(huán)節(jié)，應(yīng)該變槳系統(tǒng)控制模型的響應(yīng)曲線特性加以重視。若在統(tǒng)一控制器之下，基于不同風速的變槳系統(tǒng)模型的響應(yīng)曲線特性之間存在較大差異。其根本原因是當風速高于額定值時，風速越大所引發(fā)的風機動態(tài)模型響應(yīng)越大。所以，應(yīng)該分別設(shè)計控制器。

2.2 低電壓穿越時的變槳控制器設(shè)計

低電壓穿越即LVRT，意味著即便大電機組并網(wǎng)點的電壓跌落，其依舊可不脫網(wǎng)運行，而且還能在此期間為電網(wǎng)供應(yīng)無功功率，進而輔助電網(wǎng)恢復正常。從本質(zhì)上來說，LVRT屬于發(fā)電機組并網(wǎng)運行環(huán)節(jié)的特殊運行功能要求，在不同地區(qū)這一要求的具體內(nèi)涵大相徑庭，在實際作業(yè)環(huán)節(jié)需要依照具體要求保持發(fā)電機組不脫網(wǎng)運行。

（1）控制對象模型

設(shè)計LVRT控制器的根本目的，是解決因電壓跌落而導致的功率波動和超速問題，要基于變槳PI控制器來保證低電壓穿越環(huán)節(jié)的發(fā)電機組能不出現(xiàn)大幅度功率波動，并且可迅速恢復功率。在此環(huán)節(jié)，需要明確風力發(fā)電機組的傳動鏈運動方程：

在此環(huán)節(jié)，，以TL代表風輪所提供的拖動轉(zhuǎn)矩;Jg代表發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量;同時以Dg表達阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)，且該系數(shù)與轉(zhuǎn)速為正比關(guān)系;以Kg表示扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)，并以N表示齒輪箱速比。

（2）控制系統(tǒng)設(shè)計

在雙饋異步發(fā)電機變槳控制器運行環(huán)節(jié)，系統(tǒng)以機械扭矩、發(fā)電機電磁扭矩和轉(zhuǎn)速為輸入，以發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速為輸出，系統(tǒng)將基于PI控制器來調(diào)整風輪扭矩和轉(zhuǎn)速的差值，進而獲取槳距角指令，在限幅后將指令輸入變槳執(zhí)行器，以達到改變實際扭矩和發(fā)電機轉(zhuǎn)速的效果。在此環(huán)節(jié)，變槳動作將依照變槳執(zhí)行器的指令而行。

基于風力發(fā)電機的特性，在變槳系統(tǒng)的PI控制器中引入風力機輸出的機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，可以設(shè)計出變參數(shù)PI控制器?；诠剑?/p>

可分別得到控制器參數(shù)Kp和Ki。而后可將風力機輸出的機械轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩之差設(shè)定為e，則控制器的參數(shù)將會跟隨e而不斷變化。當發(fā)生電壓跌落時，Te數(shù)值將會快速下降，則此時PI參數(shù)會隨之擴大，這代表著系統(tǒng)需要輸出大槳距角來減小e;反之，在電壓恢復時，e的數(shù)值會快速降低，那么TL和Te之間的差異將不斷縮小，則PI參數(shù)也會減小，系統(tǒng)快速輸出的槳距角指令會相對較小。鑒于轉(zhuǎn)矩差值的大小與電壓跌落幅度關(guān)系緊密，在設(shè)計控制器時就必須進行更加全面的考量，使其具備良好的控制能力，能有效抑制機組轉(zhuǎn)速上升和功率波動大的問題。在雙饋異步發(fā)電機變槳控制系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)，引入扭矩誤差可以提升系統(tǒng)的控制性能，讓系統(tǒng)運行更具有效性。此外，在對控制系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計人員還應(yīng)該牢記變亂系統(tǒng)的最終槳距角指令，應(yīng)該與轉(zhuǎn)速反饋變槳控制器和功率補償變槳控制器的指令和相同。而且，當出現(xiàn)電壓跌落時，LVRT變欒控制器需要及時提供槳距角指令。

3結(jié)束語

總而言之，對于雙饋異步發(fā)電機組而言，變槳控制系統(tǒng)是其核心裝置，該系統(tǒng)的正常運行可以保障發(fā)電機組正常發(fā)電。因此，在開展雙饋異步發(fā)電機變槳控制系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員應(yīng)該做好變槳控制器設(shè)計和低壓穿越環(huán)節(jié)的變槳控制器設(shè)計，為保障其運行有效性提供輔助。

參考文獻

[1] 王海.雙饋異步風力發(fā)電機組變槳距控制研究[D].淮南：安徽理工大學，2018.

[2] 王海晶.永磁直驅(qū)風力發(fā)電機組的失速和變槳混合控制策略研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2018.