風(fēng)電機(jī)組控制與優(yōu)化運(yùn)行

風(fēng)電機(jī)組控制與優(yōu)化運(yùn)行長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院第1章緒論風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)、任務(wù)及要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容和基本組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)、任務(wù)及要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)是機(jī)組正常運(yùn)行的核心，其控制技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一，與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的其他部分關(guān)系密切，其精確的控制、完善的功能將直接影響機(jī)組的安全與效率。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。它不僅要監(jiān)視電網(wǎng)、風(fēng)況和機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，在各種正?；蚬收锨闆r下脫網(wǎng)停機(jī)，以確保運(yùn)行的安全性和可靠性；還要根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)向的變化，對(duì)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化控制，以保證機(jī)組穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。一、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)

由于風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜、多變量、非線(xiàn)性系統(tǒng)，且有不確定性和多干擾等特點(diǎn)。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標(biāo)分為三個(gè)層次：保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行獲取最大能量提供高質(zhì)量的電能二、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制任務(wù)及要求在運(yùn)行的風(fēng)速范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定；低風(fēng)速時(shí)，跟蹤最佳葉尖速比，獲取最大風(fēng)能；高風(fēng)速時(shí)，限制風(fēng)能的捕獲，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率為額定值；減小陣風(fēng)引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)峰值，減小風(fēng)輪的機(jī)械應(yīng)力和輸出功率的波動(dòng)，避免共振；減小功率傳動(dòng)鏈的暫態(tài)響應(yīng)；控制器簡(jiǎn)單，控制代價(jià)小，對(duì)一些輸入信號(hào)進(jìn)行限幅；確保機(jī)組輸出電壓和頻率的穩(wěn)定。1.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容和基本組成控制系統(tǒng)貫穿到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的每個(gè)部分，相當(dāng)于神經(jīng)系統(tǒng)。因此控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)、發(fā)電量多少以及設(shè)備的安全。對(duì)于不同類(lèi)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，控制單元有所不同（尤其是轉(zhuǎn)速和功率控制系統(tǒng)），這主要是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)或類(lèi)型不同而使得控制方法和手段也不相同，從而形成多種結(jié)構(gòu)和控制方案。一、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航控制和解纜控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全自動(dòng)啟動(dòng)/停機(jī)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)補(bǔ)償電容投切控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷液壓與制動(dòng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信二、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的基本組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和軟/硬件處理器系統(tǒng)組成。傳動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)裝置發(fā)電機(jī)換流器開(kāi)關(guān)電網(wǎng)風(fēng)補(bǔ)償電容各傳感器各執(zhí)行機(jī)構(gòu)軟/硬件處理器系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)二、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的基本組成（一）傳感器風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)速傳感器電量采集傳感器槳距角位置傳感器各種限位開(kāi)關(guān)振動(dòng)傳感器溫度和油位傳感器液壓系統(tǒng)壓力傳感器操作開(kāi)關(guān)、按鈕等傳感器負(fù)責(zé)采集反映風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)的各個(gè)模擬量、數(shù)字量等工作參數(shù)信息。一般包括如下裝置：二、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的基本組成（二）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件。一般包括液壓驅(qū)動(dòng)裝置或電動(dòng)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器、發(fā)電機(jī)接觸器、剎車(chē)裝置、偏航電機(jī)等。(祥見(jiàn)教材第7章)（三）軟/硬件處理器系統(tǒng)處理器系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理傳感器的輸入信號(hào)，并發(fā)出輸出信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。處理器系統(tǒng)通常由計(jì)算機(jī)或微型控制器和可靠性很高的硬件安全鏈組成，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各種控制功能，同時(shí)必須滿(mǎn)足當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，能夠保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處于安全的狀態(tài)。二、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的基本組成1.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)一、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始使用風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的定槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，主要解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問(wèn)題和運(yùn)行的安全性與可靠性問(wèn)題，采用了軟并網(wǎng)技術(shù)、空氣動(dòng)力剎車(chē)技術(shù)、偏航與自動(dòng)解纜技術(shù)，這些都是并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要解決的最基本問(wèn)題。

20世紀(jì)90年代開(kāi)始，風(fēng)電機(jī)組的可靠性已經(jīng)大大提高，變槳距風(fēng)電機(jī)組開(kāi)始進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)。采用變槳距的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，起動(dòng)時(shí)可以對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并網(wǎng)后可以對(duì)功率進(jìn)行控制，使風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能和功率輸出特性都有顯著的改善。變槳距閉環(huán)控制系統(tǒng)的應(yīng)用使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的水平提高到一個(gè)新的階段。一、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代中期，基于變槳距技術(shù)的各種變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)。變速風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)與定速風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的根本區(qū)別在于：變速風(fēng)電機(jī)組是把風(fēng)速信號(hào)作為控制系統(tǒng)的輸入變量來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和功率控制的。變速風(fēng)電機(jī)組的主要特點(diǎn)是：低于額定風(fēng)速時(shí)，它能跟蹤最佳功率曲線(xiàn)，使風(fēng)電機(jī)組具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；高于額度風(fēng)速時(shí)，它增加了傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加穩(wěn)定。特別是解決了高次諧波與功率因數(shù)等問(wèn)題后，使供電效率、質(zhì)量有所提高。目前的控制方法是：當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩或風(fēng)力機(jī)槳距角使葉尖速比保持最佳值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大捕獲。一、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀基于線(xiàn)性化模型的最佳葉尖速比的跟蹤控制以及利用風(fēng)速測(cè)量值或電功率測(cè)量值進(jìn)行的反饋控制，這些傳統(tǒng)的控制方法在隨機(jī)擾動(dòng)大、不確定因素多、非線(xiàn)性嚴(yán)重的風(fēng)電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。一些新的控制理論開(kāi)始應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)：模糊邏輯控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制魯棒控制……二、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)、電力電子以及控制技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方式正朝以下方向發(fā)展：

由定槳距向變槳距發(fā)展

由恒速恒頻向變速恒頻發(fā)展

由常規(guī)PID控制向智能控制方向發(fā)展風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略根據(jù)控制器的不同可分為兩大類(lèi)：

以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)控制方法

模擬人類(lèi)智能活動(dòng)及其控制與信息傳遞過(guò)程的智能控制二、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜的、強(qiáng)耦合、多變量的非線(xiàn)性系統(tǒng)，具有不確定性和多干擾等特點(diǎn)，所以傳統(tǒng)控制方法在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中難以取得好的控制效果。而智能控制可充分利用非線(xiàn)性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等各種功能來(lái)克服系統(tǒng)的參數(shù)時(shí)變與非線(xiàn)性因素，因此各種智能控制方案已開(kāi)始應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組控制領(lǐng)域。二、

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)除了控制發(fā)電機(jī)“獲取最大能量”外，還要使發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供高品質(zhì)的電能。因此要求控制系統(tǒng)：

①盡可能產(chǎn)生較低的諧波電流；

②能夠控制功率因數(shù)；

③使發(fā)電機(jī)輸出電壓適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化；

④向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率。目前國(guó)內(nèi)外兆瓦級(jí)以上技術(shù)較先進(jìn)的、有發(fā)展前景的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要是雙饋型異步發(fā)電機(jī)和永磁直驅(qū)型同步發(fā)電機(jī)，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。項(xiàng)目雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)價(jià)格中高電控系統(tǒng)體積中大電控系統(tǒng)維護(hù)成本較高低電控系統(tǒng)平均效率較高高變流單元IGBT，單管額定電流小，技術(shù)難度大IGBT，單管額定電流大，技術(shù)難度小變流容量?jī)H需要全功率的1/4全功率變流系統(tǒng)穩(wěn)定性中高電網(wǎng)電壓突然降低的影響電機(jī)端電流迅速升高電機(jī)扭矩迅速增大電流維持穩(wěn)定扭矩保持不變電機(jī)滑環(huán)需每半年更換碳刷，每2年更換滑環(huán)無(wú)表1-1雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的綜合比較項(xiàng)目雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電壓變化率電壓變化率高時(shí)需進(jìn)行電壓濾波無(wú)高電壓變化電機(jī)電纜的電磁釋放有，需要屏蔽線(xiàn)無(wú)電磁釋放電機(jī)造價(jià)低高電機(jī)尺寸小大電機(jī)重量輕重塔架內(nèi)電纜工作電流類(lèi)型高頻非正弦波，具有較大諧波分量必須使用屏蔽電纜正弦波可承受瞬間電壓