基于功率参考值波动的风机控制策略改进

王永耀

(大唐山西新能源有限公司，山西 太原 030032)

基于功率参考值波动的风机控制策略改进

王永耀

(大唐山西新能源有限公司，山西 太原 030032)

针对风电机组外部功率参考值下降时风机安全控制策略问题，以变速恒频风电机组为对象，在常规控制策略基础上提出了一种改进控制策略，并通过Simulink模型对不同控制策略下的仿真结果进行了对比和分析。结果表明：通过调节桨距角的改进控制策略能够更好地适应机组故障等情况，可降低机械转矩和电磁力矩震荡，保证机组安全运行。

变速恒频；风电机组；外部功率；波动；控制策略

0 引言

风力发电在减少煤炭等化石燃料消耗的同时，可有效降低污染物排放，对节能环保具有重要意义。由于风力发电波动性较大，电网对风电的接纳能力有限，在国家电网公司制定的风电运行技术标准中，要求风电场根据电网调度指令控制有功功率的输出。风机功率通常与风速有着直接的关系，但也可以通过外部功率参考值将功率调低。当机组运行出现问题时，应及时降低机组功率或停机，避免因带伤运行导致风机出现重大事故。机组的功率额定值调低，称为额定值减少。额定值减少源包括操作者请求、元件高温和电网事件，3者所对应的3个功率参考值中的最小值就是风机外部功率参考值。

1 模型分析

1.1 风力机数学模型

根据贝兹(Betz)理论，风力机单位时间内捕获的风能为：

式中：ρ为空气密度；A为风轮扫风面积；v为风速；Cp为风能利用系数；λ为叶尖速比；R为风轮半径；ωT为风轮转速。

当v与ρ一定时，风力机吸收风能能量取决于Cp。Cp是关于叶尖速比λ和桨距角β的高阶非线性函数，3者关系如图1所示。

1.2 传动系统数学模型

风机系统传动链模型为:

式中：ωg为发电机转速;t为时间;Tm和Te分别为风机高速轴机械转矩和发电机电磁力矩；J为传动系统转动惯量。

在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模块，如图2所示。

1.3 发电机模型

相比较于同步电机的励磁，异步双馈电机不仅可以调节励磁电流幅值，还可以改变励磁频率和相位。通过改变励磁频率，可改变电机的转速，从而达到调速的目的；采用矢量控制方法将定子电流矢量分解为产生磁场的励磁电流和产生转矩的转矩电流分别加以控制。现重点研究功率参考值波动时变速恒频机组功率控制，对异步双馈电机不作过多讨论，将发电机等效为一阶惯性环节。其中，发电机输出功率的计算公式为：

图1 Cp与λ，β的对应关系

图2 传动系统仿真模块

1.4 风能吸收计算模块

根据式(1)设计风能吸收计算模块，可以直观观测风轮所吸收能量，进一步比较不同控制策略下机组响应功率参考值的特性。风能吸收计算模块如图3所示。

2 控制策略

2.1 常规控制策略

现以某风电场运行机组为例，在机组正常运行全额上网情况下，变速风电机组控制策略：当风速和功率未达到额定值时，机组启用部分功率控制器，根据当前最佳转速和功率要求实现最大功率跟踪；当风速和功率达到额定值时，机组启用全功率控制器，根据当前最佳转速与最佳桨距和推力限制的最大值，实现额定功率运行，如图4所示。

图3 风能吸收计算模块

图4 常规控制策略

由图4可知，当外部功率参考值下降时，机组启用部分功率控制器，通过控制转矩参考值来调节风轮所吸收风能和发电机功率，该过程中桨距不变；若机组停机，桨叶将调整至顺浆位置。

2.2 改进控制策略

当机组外部功率参考值下降，常规控制策略仅限于调整转矩参考值，未能利用风机桨距角来限制风轮吸收风能。现在常规控制策略基础上进行改进，如图5所示。

在转矩参考值计算中，仍然采用常规控制策略。在桨距参考值计算方面，根据功率参考值与实际功率大小关系对桨距角进行调整，在满足推力限制的桨叶位置范围内输出桨距参考值。该策略能够通过调节桨距角控制风轮吸收风能，针对可能发生的停机提前调整桨叶位置，能更好适应功率下降的情况。

图5 改进控制策略

3 外部功率参考值及额定值减少源

通常，风机功率与风速有着直接关系，但也可以通过外部功率参考值将功率调低，即机组的额定值减少。

3.1 减少源

外部功率参考值被选作3组额定值减少源(操作者请求、元件高温、电网事件)设定的几个参考值的最小值，如图6所示。

功率参考值不得超过额定功率，也不得低于最小功率参考值。其中，最小功率参考值用来减少传动链上的载荷，过低地减少外部功率参考值，可能会导致变速箱内不必要的后冲。最小功率参考值取决于风速，其与风速对应关系如图7所示。

上述分析可知，额定值降低具有多个减少源。

现以齿轮轴承温度为例，进一步讨论减少源与额定值降低之间的关系。

图7 最小功率参考值与风速对应曲线

3.2 齿轮轴承温度对额定值降低的影响

当齿轮轴承温度低于额定温度40℃时，风机额定值不受影响；当齿轮轴承温度超过40℃时，风机功率额定值随着齿轮轴承温度的升高呈反比例下降趋势。当齿轮轴承温度达到报警极限温度45℃时，风机功率降为最低额定值；当齿轮轴承温度达到50℃时，风机将停机，如图8所示。

图8 齿轮轴承温度与风机功率额定值百分比之间关系

4 仿真验证

4.1 仿真条件

为验证控制策略的正确性，采用Matlab/Simulink仿真软件建立风机模型。风机切入风速为 3.5m/s，额定风速为 12.5m/s，发电机最低转速为0.5p.u.(0.5倍的额定转速)，最高转速为1.2p.u.(1.2 倍的额定转速)。

现以图8的功率曲线为例，假设风速始终处于额定风速以上，并以此为研究对象，针对不同控制策略建立仿真系统，如图9，10所示。

图9 常规控制策略仿真模块

4.2 结果分析

在风速达到额定风速且系统工况稳定条件下，机组额定功率变化情况如图8所示，仿真结果如图11所示。

由图11可知，在机组额定功率下降情况下，常规控制策略与改进控制策略功率跟踪效果基本一致，不同控制策略下发电机转速响应结果也基本一致。但相比于常规策略，改进策略能够提前调节桨距角更好地适应机组停机并控制风轮吸收风能，有效减少机械转矩和电磁力矩震荡，从而更好地保证机组安全运行。

图10 改进控制策略仿真模块

图11 仿真结果

5 结束语

由于风力发电波动性较大，电网对风电的接纳能力有限，在国家电网公司制定的风电运行技术标准中，要求风电场能根据电网调度指令控制有功功率的输出。风机功率通常与风速直接相关，但也可以通过外部功率参考值将功率调低。以变速恒频风电机组为对象，研究机组处于功率参考值波动时，在常规控制策略与改进控制策略情况下的安全性和响应特性。仿真结果表明：改进控制策略可以更快调节机组出力和转矩，为机组的安全运行提供保障。

1刘晋．双馈风力发电系统控制策略研究[D]．北京：华北电力大学，2014.

2肖运启，贺贯举．大型风电机组限功率运行特性分析及其优化调度[J]．电力系统自动化，2014，38(20)：18-25.

《电力安全技术》投稿简则

1 来稿要求

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2017-03-18。

王永耀(1971—)，男，工程师，主要从事风力发电场、光伏电站的生产技术管理工作，email：764217599@qq.com。