新型風電機組的差動調速功率控制方法研究

蘇 睿，李剛俊，黃楊森

（1.成都工業(yè)學院 智能制造學院，四川 成都 611730；2.中國東方電氣集團有限公司，四川 成都 611731）

0 引言

常見的兆瓦級主流風電機組主要包括雙饋機組和永磁直驅機組。兆瓦級機組利用變頻器調節(jié)風輪轉速，從而實現變速恒頻運行。但是，此類采用電力電子設備調速的風電機組并網運行時會產生較多問題，如無功功耗大、電流諧波成分高、專用發(fā)電機結構復雜[1]。在此背景下，一些學者提出了風電機組傳動鏈采用無級調速的方案，其設計思想為，基于差動輪系的二自由度特性，利用調速電機改變風輪轉速，且傳動鏈末端采用同步發(fā)電機，發(fā)電機定子直聯電網，故電網頻率鎖定轉子轉速，無需變頻器即可向電網輸入恒頻電能。

Mangialardi L[2]首次提出了采用差動輪系傳動、電動機調速的電驅差動風電機組初步方案，并開展了可行性方面的研究。Idan M[3]采用調速電機與多個差動輪系組成的電驅差動風電機組方案，該方案能夠實現常規(guī)調速需求，但設備數量過多、結構較復雜，未能解決能耗與成本偏高的問題。穆安樂[4]對風電機組傳動鏈各構件的運動學關系進行了研究，建立了伺服電機相關參數的優(yōu)化模型，深入分析了各軸轉速的匹配關系。Freeman J B[5]采用模型參考自適應控制對該類機組的轉速調節(jié)策略進行了研究。Zhang T[6]針對機組的功率、效率等進行研究，發(fā)現通過神經反步控制可實現較優(yōu)的發(fā)電效能。陳垚[7]對此類機組進行了控制策略方面的研究，主要包括基于Bladed的齒輪箱二次開發(fā)、永磁電機的變速策略。

以上相關研究多從轉速匹配等運動學角度分析新型風電機組的無級變速原理，但尚未針對該類型機組的功率控制方法進行深入探索，不利于該類機組設計理論體系的完善以及后續(xù)的實際工程應用。鑒于此，本文提出了新型風電機組的差動調速功率控制方法，并在低于額定風速和高于額定風速兩種工況下，對不同的控制過程進行了分析。組建了1.5 MW的該類新型風電機組Simulink模型，并在不同風速下進行仿真，以驗證該功率控制方法的有效性。

1 機組運行原理

新型風電機組傳動鏈主要包括風輪、增速箱、差動輪系、調速電機和并網的同步發(fā)電機等，系統結構如圖1所示。

圖1 新型風電機組示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind turbine

差動輪系基本構件齒圈轉速NR、輪架轉速NC以及太陽輪轉速NS具有下述確定關系。

式中：f為電網頻率，50 Hz或60 Hz；p為同步發(fā)電機極對數。

綜上所述，在差動調速風電機組并網運行時，可通過改變電動機轉速以調節(jié)風輪轉速。

2 差動調速功率控制方法

雙饋和直驅風電機組通過變頻器改變風能利用率Cp來調節(jié)機組功率，而新型風電機組通過傳動鏈的差動調速實現功率控制，降低了大功率變頻器對電能質量的負面影響，提升了機組可靠性，降低了整機成本。在額定風速以下時，通過差動調速使風輪盡可能多地獲得功率；在額定風速以上時，通過差動調速使風輪獲得的功率穩(wěn)定在機組額定容量。風功率Pwind與風輪吸收功率Protor的關系為

式中：C1=0.73；C2=151；C3=0.58；C4=0.002；C5=2.14；C6=13.2；C7=18.4；C8=-0.02；C9=-0.003。

2.1 低于額定風速的差動調速功率控制

風功率部分轉變?yōu)轱L輪機械功率，該功率為機組傳動鏈的輸入總功率。當風速V等于額定風速時，同步發(fā)電機以額定狀態(tài)運行；當V低于額定風速時，輸入總功率低于同步發(fā)電機功率額定值。對于新型風電機組，應通過差動調速以調節(jié)傳動鏈各軸匹配轉速，從而調節(jié)λ實現風輪傳遞功率最大化。此時β應保持為0°，則Cp與λ的關系曲線如圖2所示。

圖2 β=0°時，Cp與λ的關系曲線Fig.2 The relationship between Cp andλwhileβ=0 °

為使Cp保持最大值，則機組應運行在圖2所示點A的狀態(tài)，差動調速的最終目標為達到A點所對應的λ。λ與風輪轉速Nrotor的關系為

式中：R為風輪轉子半徑。

新型風電機組傳動鏈參數設置如下：R為30 m；定軸齒箱傳動比為80；差動輪系齒圈與太陽輪齒數比u為2；調速電機軸上齒輪齒數與齒圈內齒數相等；同步發(fā)電機額定功率為1.5 MW，額定轉子轉速為1 800 r/min。

確定額定風速：當Cp為A點對應的值0.43時，此時機組功率為發(fā)電機額定值，風速則等于額定風速值，按式（3）計算得到額定風速為12.7 m/s。

由圖2可知，峰值A點的橫坐標λ為7.3。風速V取不同值且均低于額定風速值時，機組應以最大Cp值為控制目標。針對風速分別為9，10，11 m/s時，按式（4）計算得到λ、風輪轉速等運行參數，并按式（1）計算得到用于傳動鏈差動調速的調速電機轉速值（表1）。

表1 低于額定風速時，不同風速下主要參數理想值Table 1 The ideal value of main parameters under different wind speeds below the rated wind

2.2 高于額定風速的差動調速功率控制

當V高于額定風速時，風輪輸入瞬時功率高于同步發(fā)電機功率額定值，對于新型風電機組，應通過差動調速以調節(jié)傳動鏈各軸匹配轉速，從而調節(jié)λ以減少輸入功率，保持風輪輸入功率穩(wěn)定在機組額定功率值附近。

圖3為槳距角分別為β1，β2，β3時的Cp-λ曲線。其中β1=0°，且β1＜β2＜β3，圖中各點坐標分別為A（λA，Cp1），B（λB，Cp2），C（λC，Cp2），D（λD，Cp2）。

圖3 槳距角分別為β1，β2，β3時的Cp-λ曲線Fig.3 The curve of Cp-λwhile the pitch angle equals to the β1，β2，β3 respectively

當風速小于額定風速時，變槳機構不動作，β等于0°，風能利用率等于Cp1，機組以圖3所示A點對應參數穩(wěn)定運行；當風速突增，并超過額定風速時，機組瞬時功率亦增加且超過功率額定值，故需將風能利用率降低。分析圖3曲線，可采用以下3種措施降低Cp。

措施1：變槳機構不動作，β1始終等于0°，通過差動調速調節(jié)傳動鏈各軸轉速，風輪始終沿著圖3中A點所在曲線運行，并由A點運行至B點，λ亦降低至λB。

措施2：變槳機構開始動作，β增大為β3，同時，通過差動調速調節(jié)傳動鏈各軸轉速，風輪由圖3中的β1對應曲線逐漸運行至β3對應曲線，即由β點運行至B點，λ亦降低至λD。

措施3：變槳機構開始動作，β增至[β1，β3]區(qū)間的某值β2。通過差動調速調節(jié)傳動鏈各軸轉速，風輪由圖3中的β1對應曲線逐漸運行至β2對應曲線，即由A點運行至C點，λ由λA減小為λC。

以上措施最終均能降低Cp，措施1中β不動作，在較短時間內，針對大慣量風輪，通過差動調速調節(jié)風輪轉速，需配備高性能的調速系統。措施2，3中變槳和差動調速同時進行，響應時間較短。措施2是措施3的極致情況，故通過措施2，3，機組最終運行在β大于零的某曲線上。

V取不同值且均高于額定風速時，機組應以降低Cp值為控制目標。針對14，15 m/s和16 m/s等不同風速，按式（4）計算得到λ、風輪轉速等運行參數；并按式（1）計算得到用于傳動鏈差動調速的調速電機轉速值（表2）。

表2 高于額定風速時，不同風速下的主要參數理想值Table 2 The ideal value of main parameters under different wind speeds exceed the rated wind

表2中λ，β、風輪轉速、調速電機轉速用區(qū)間的形式表示。按措施1計算得到區(qū)間左端點（圖3中B點）理想值；按措施2計算得到區(qū)間右端點（圖3中D點）理想值，而最終穩(wěn)定運行的參數值應屬于對應區(qū)間。

3 仿真

在Simulink環(huán)境下搭建差動調速風電系統模型，其中同步發(fā)電機、調速電機、差動輪系為軟件自帶模塊，并為其設計變槳風輪模塊[9]，[10]。模型輸入分別為9，11，14 m/s和16 m/s 4種風速分段階躍，形成階躍風速，每階躍段歷時10 s，仿真歷時40 s，如圖4所示。仿真結果如圖5～9所示。

圖4 階躍風速Fig.4 The step wind

圖5 槳距角Fig.5 The pitch angle

圖6 λFig.6 The tip speed ratio

圖7 CpFig.7 The utilization of wind energy

圖8 風輪、調速電機、同步發(fā)電機的轉速Fig.8 The rotate speed of wind rotor，speed regulating motor and synchronous generator

圖9 風輪功率和同步發(fā)電機功率Fig.9 The power of wind rotor and synchronous generator

圖4中，額定風速值為12.7 m/s，高于9 m/s和11 m/s的風速階躍段，低于14 m/s和16 m/s的風速階躍段。由圖4～9可知：在5～10 s時，以風速9 m/s作為輸入，低于額定風速，β保持0°，λ為7.2，Cp為0.45，風輪吸收的功率為500 kW，系統運行在圖2所示的A點附近；第10秒時，風速發(fā)生突變，階躍至11 m/s，差動調速系統開始動作，但大慣量風輪轉速改變較慢，在風速突變的情況下，λ驟然減小，Cp瞬時降低，如圖2所示，但經過歷時5 s的差動調速，機組再次以A點狀態(tài)運行，此時機組輸入功率為1 MW；第20秒時，風速再次發(fā)生突變，階躍至14 m/s，風輪吸收的風功率大于機組額定功率值，故按照措施3變槳機構動作，同時差動調速，β歷時3 s由0°增至3.5°，差動調速中的電動機轉速也由2 000 r/min提升至2 100 r/min，最終使風輪運行在圖3所示曲線的C點，機組功率也穩(wěn)定至1.5 MW；第30秒時，風速再次發(fā)生突變，階躍至16 m/s，機組功率發(fā)生突變，通過增加β至3.7°，同時調節(jié)風輪轉速，機組功率再次降低至1.5 MW。

圖5～9中仿真開始至第5秒為載荷輸入、機組系統啟動階段，參數不穩(wěn)定，故以第5秒至仿真結束的參數變化作為重點分析曲線。

4 結論

新型風電機組的差動調速實現功率控制的方法為低于額定風速時，通過差動調速調節(jié)傳動鏈各軸匹配轉速，以間接增大Cp，實現風輪功率最大化；高于額定風速時，同時開始變槳和差動調速，以間接降低Cp，從而降低機組功率至額定值。具體結論如下。

①結合Cp與β和λ的關系，針對1.5 MW新型風電機組，對低于和高于額定風速12.7 m/s兩種工況的控制方法進行了研究，并計算了理想情況下，6種不同風速9，10，11，14，15 m/s和16 m/s時與同步發(fā)電機、調速電機、風輪的轉速匹配值，以及風輪吸收的功率值。

②在Simulink環(huán)境中，以9，11，14 m/s和16 m/s 4分段階躍風速作為輸入，λ，Cp，β、轉速、功率等參數的仿真結果與計算理想值相符，驗證了利用差動調速的方法對風電機組進行功率控制具有原理可行性。