變速變槳風力發(fā)電機組陣風控制策略研究

【摘要】雙饋式風力發(fā)電機組的控制核心為轉速控制，但在風力發(fā)電機組的實際運行環(huán)境中，會遇到強陣風，強陣風風速變化很快，機組容易出現(xiàn)發(fā)電機超速故障，導致停機。本文提出了一種陣風控制策略，可有效減少機組遭遇陣風后報超速故障停機的次數(shù)?！娟P鍵詞】雙饋風力發(fā)電機組轉速控制陣風控制策略1引言部分新建風場處在高山地域，風資源狀況不佳，經常受到無規(guī)律的變向變負荷的風力作用以及強陣風沖擊。機組變槳控制器具備很高的調節(jié)能力，但風電機組是大慣量系統(tǒng)，滯后性大，機組在部分工況下，控制器發(fā)出的收槳位置不能滿足要求，導致機組轉速上升過快，機組超速故障增加。本文就機組遭遇陣風超速問題，通過對變槳變速雙饋風電機組的轉速轉矩控制、機組遭遇陣風時的轉速變化進行分析，提出了機組遭遇陣風時的槳距控制策略，解決機組因陣風導致的超速故障。2風力發(fā)電機組空氣動力學分析風力發(fā)電系統(tǒng)由機械部分和電能轉化部分組成，對于機械部分，機組通過葉輪系統(tǒng)捕獲風能，將風能轉換為機械能。由空氣動力學可知，通過葉輪旋轉面的風能不能全部被葉輪吸收利用，通常以風能利用系數(shù)Cp來表示風機的能量利用效率。變槳距風力機的風能利用系數(shù)與槳葉的槳距角和葉尖速比呈非線性的關系，葉尖速比即為槳葉尖部的線速度與風速之比：為風輪旋轉的角速度，R為風輪半徑，v為風速。Pm-通過掃風面的全部風能；ρ-空氣密度；A-掃風面積；v-風速。可以根據(jù)最小二乘法的曲線擬合技術，近似得到的計算公式[2]：隨葉尖速比和槳距角的變化而變化，且存在一個最大值0.593，稱為貝茨極限。風力發(fā)電機組風輪的啟動轉換過程可用下面兩個類似的非線性方程來表示。從圖1可知風輪轉速或風速改變將引起變化，影響從而改變，表達式為：其中：為氣動轉矩；為轉矩系數(shù)，它與功率因數(shù)的關系為；為氣動力；為推力系數(shù)。對任意的葉尖速比，葉片槳距角在零度附近時，風能利用系數(shù)相對最大；當槳距角增大時，風能利用系數(shù)減小。風速較低時，應盡量使風機獲得最大的風能利用系數(shù)，以獲取最大的發(fā)電量。3變速變槳風力發(fā)電機組的運行控制策略風力發(fā)電機組控制原理如圖1所示。圖1：風力發(fā)電機組控制原理實現(xiàn)最大風能捕獲運行的關鍵是風電機組的轉速控制，控制系統(tǒng)對測量到的發(fā)電機轉速進行軟件濾波后，再將轉速給到轉矩控制器和槳距控制器，共同控制發(fā)電機轉速。變速變槳風力發(fā)電機組的整個運行控制階段大致可以分為三個階段：低風速階段，過渡階段和高風速階段，其區(qū)間劃分如圖2所示：圖2：控制區(qū)劃分變槳變速風電機組的轉速轉矩控制如圖3，在機組穩(wěn)定狀態(tài)的速度范圍是N1到Nr，在低風速段，由一條固定葉尖速比的曲線使最佳，如圖3中所示的線段B-C。圖3：轉速與轉矩關系圖在發(fā)電機轉速小于N1之前，此時發(fā)電機無功率輸出，只有在風速大于機組的切入轉速后才能并網發(fā)電，所以在很低的風速下，轉速轉矩曲線不可能根據(jù)B-C段運行，只能沿圖3中的A-B段保持轉速N1運行。同理，在高風速段，當轉速達到Nr，轉速轉矩曲線將沿C-D段運行，將轉速維持在Nr，D點以后為恒功率區(qū)，轉矩控制器的輸出維持機組功率最大。隨著風速增大，為了將轉速控制在發(fā)電機允許的轉速內，槳距控制器會控制葉片收槳，限制風輪捕獲的風能。4變速變槳風力發(fā)電機組陣風時的運行分析機組處于風況快速變化時，特別是風速降低后又快速上升的陣風風況，控制器發(fā)出的收槳位置不能滿足要求，導致機組轉速上升過快，同時還會導致機艙振動幅度加大等，造成機組報超速故障停機，損失發(fā)電量，所以陣風控制對于保證機組的運行可靠性和提高機組的使用壽命有極其重要的作用。風速低于額定風速時，為了獲取最大風能，槳距角一般為0°，控制系統(tǒng)通過變流器調整發(fā)電機轉矩控制轉速。風速達到額定風速后，機組功率達到最大，發(fā)電機轉矩也為最大值，若風速繼續(xù)增加，不能再通過增加發(fā)電機轉矩來抑制轉速，需要槳距執(zhí)行器收槳限制風輪獲取的能量，使發(fā)電機轉速保持在允許的轉速范圍內。但在風力發(fā)電機組的實際運行環(huán)境中，強陣風風速變化很快，而且目前的機組葉片更大更長，控制器的PI參數(shù)設置得相對較小，傳統(tǒng)的控制策略將測量到的發(fā)電機功率超出額定功率作為槳距控制器的觸發(fā)條件，當風速快速增加到額定值以上時，PI控制器自行累加并不能使發(fā)電機轉矩需求立即達到額定值，而此時發(fā)電機轉速已經開始超過額定，但發(fā)電機功率可能還未超過額定功率，槳距執(zhí)行器不能動作，也成為發(fā)電機轉速上升過快超速的原因[5]。分析某機型陣風超速數(shù)據(jù)如下圖。圖4：陣風超速數(shù)據(jù)圖4為某風場機組報發(fā)電機超速故障的運行數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)可以看出故障原因是因風況變化大，風速先是下降，機組的發(fā)電機轉速和功率都降低到額定以下，隨后風從10m/s升高至17m/s，發(fā)電機轉速快速升高機組報出超速故障停機。陣風來臨前，發(fā)電機轉速低于三區(qū)設定的1773rpm并且槳距角飽和在0度，這時負的轉速偏差反饋到控制器的積分部分，積分器持續(xù)對這個負的偏差進行積分形成了大的負槳距角，但槳距角最小被限定為0度。陣風來臨時，發(fā)電機轉速也會隨之增加，當發(fā)電機轉速達到1773rpm后，正的轉速偏差又會反饋到積分器，正的轉速偏差會耗費一定時間來抵消負的轉速偏差所帶來的影響[6]，如果風速短時間內快速升高，機組便會因槳距角過小發(fā)生超速故障。針對這種陣風，提出陣風控制策略，識別到即將超速時，通過快速收槳，避免極端超速情況的出現(xiàn)。5

陣風控制策略分析歷史超速故障數(shù)據(jù)，發(fā)電機轉速超過N3（發(fā)電機超速故障保護閾值）后，機組立即執(zhí)行快速停機。此時機組轉速將快速降低，不會超過NA。因此，針對陣風時機組容易發(fā)生超速故障情況，增加陣風控制策略，識別到發(fā)電機轉速超過N3后，暫不觸發(fā)故障，變槳角度以停機速度，快速收槳，迅速將機組轉速控制至安全范圍，隨后恢復正常運行。陣風控制策略具體如下：（1）觸發(fā)N3后，若持續(xù)一段時間轉速未下降，觸發(fā)原超速故障，停機。（2）觸發(fā)N3后，控制變槳系統(tǒng)以最大收槳速度執(zhí)行順槳動作。（3）當轉速降低到額定轉速后，恢復正常變槳PI控制。（4）10min內，連續(xù)多次觸發(fā)陣風控制策略，機組停機。5.1仿真結果根據(jù)機組運行數(shù)據(jù)進行策略仿真，結果如圖5。從結果可以看出，在機組因陣風導致轉速超過N3后，控制系統(tǒng)控制葉片快速收槳，可以快速降低發(fā)電機組轉速。圖5中紅線為陣風控制策略的發(fā)電機轉速，黑色線為未采用陣風控制策略的發(fā)電機轉速。圖5：本策略仿真中的發(fā)電機轉速變化情況5.2程序邏輯驗證搜集相應數(shù)據(jù)進行分析，繪制圖形，如下圖6所示：圖6：實際測試數(shù)據(jù)根據(jù)圖6分析數(shù)據(jù)，可知：在3117.46s發(fā)電機轉速為1975RPM，大于參數(shù)設定值，觸發(fā)了發(fā)電機超速標志位;槳葉開始執(zhí)行順槳動作，最大角度限制為20°。變槳角度達18.39度后，運行約2.8s，發(fā)電機速度下降，發(fā)電機超速標志位變?yōu)?，變槳繼續(xù)執(zhí)行原有的變槳指令。實測數(shù)據(jù)說明機組實際運行效果與陣風控制策略一致。6總結本文針對變槳變速機組的控制策略進行研究，分析了機組的槳距與轉矩