曹書強(qiáng)，杜書旺

（北車風(fēng)電有限公司，濟(jì)南250000）

風(fēng)電作為一種無污染的綠色能源，近年得到迅猛發(fā)展，隨著陸上風(fēng)電場的大規(guī)模建設(shè)，低風(fēng)速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組漸漸成為風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展方向，風(fēng)電場也漸漸朝向風(fēng)資源稍差的內(nèi)陸發(fā)展［1］。因此，風(fēng)電機(jī)組會(huì)有較長時(shí)間在額定風(fēng)速以下工作，機(jī)組的最佳風(fēng)能捕獲就顯得尤為重要。

以下介紹一種利用轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表結(jié)合爬山搜索法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組最佳風(fēng)能捕獲的方法。通過仿真及現(xiàn)場驗(yàn)證，該方法收到了比較好的效果。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本理論

由貝茲理論，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)吸收風(fēng)能而產(chǎn)生的機(jī)械功率為［2］：

式中：Pm為機(jī)械功率；ρ為空氣密度；A為風(fēng)輪掃略面積；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；V為風(fēng)速。

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，式（1）中ρ、A均為固定值，不受機(jī)組控制影響，因此在風(fēng)速V一定的情況下，提高機(jī)組吸收空氣能量的途徑就是盡可能地提高機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)Cp。

風(fēng)能利用系數(shù)Cp為機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率，由貝茲理論得到機(jī)組Cp值最大為0.593［3］，實(shí)際的風(fēng)能利用系數(shù)小于0.593，最佳風(fēng)能追蹤的實(shí)現(xiàn)就是使風(fēng)能利用系數(shù)盡可能地接近極限值。對(duì)于變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比λ、槳距角β有密切關(guān)系。在額定風(fēng)速以下時(shí)，槳距角β保持為0，因此葉尖速比λ在最佳風(fēng)能追蹤時(shí)成為調(diào)整對(duì)象。

通常情況下，Cp-λ曲線依據(jù)風(fēng)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及機(jī)組設(shè)計(jì)相關(guān)信息，通過仿真獲得。圖1為某機(jī)型在β分別為-0.5°、0°、0.5°時(shí)通過仿真得到的Cp-λ曲線。

圖1 Cp-λ曲線

2 最佳風(fēng)能追蹤方法

轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表方法是機(jī)組轉(zhuǎn)矩值隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化，這種方法適用于發(fā)電機(jī)極數(shù)較少、額定轉(zhuǎn)速較高的情況［3］。轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表的獲得步驟如下：

（1）仿真得出最佳Cp對(duì)應(yīng)λ。

式中：Rw為風(fēng)輪半徑；W 為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；V為風(fēng)速。

由式（2）可得出：特定風(fēng)速下對(duì)應(yīng)最佳風(fēng)能時(shí)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速W，由W 并結(jié)合機(jī)組齒輪箱變比可獲得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速R。

（3）由風(fēng)場統(tǒng)計(jì)平均空氣密度ρ，結(jié)合式（1），可得出機(jī)組在特定風(fēng)速下吸收的最大機(jī)械能Pm。

（4）由機(jī)組吸收的最大機(jī)械能Pm，結(jié)合機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率η，可得出機(jī)組發(fā)出最大電功率Pe。

（5）由Pe與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速R、轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系可獲得此風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩T。

由此，便獲得了機(jī)組轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線，即轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表。圖2為某大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線。

圖2 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線

在通常的控制方案中，轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表被固化在控制程序中，機(jī)組在運(yùn)行時(shí)通過查表獲得轉(zhuǎn)矩值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能追蹤。通常情況下，尤其是在冬、夏季溫差明顯的地區(qū)，空氣密度以年為單位在ρ±Δρ范圍內(nèi)變動(dòng)，下面以空氣密度為ρ-Δρ（通常為夏季）、風(fēng)速為V（小于額定風(fēng)速）時(shí)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

假定此風(fēng)況下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速為W′，依機(jī)組設(shè)計(jì)條件（以空氣密度為ρ進(jìn)行計(jì)算）該風(fēng)速下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速應(yīng)為W。由于空氣密度降低，風(fēng)蘊(yùn)含的總能量降低，風(fēng)電機(jī)組吸收的機(jī)械能量不可避免地降低，因此有：

由式（3）結(jié)合式（2），有：

而此時(shí)槳距角β不變，由Cp值與λ、β對(duì)應(yīng)曲線有：

由于空氣密度下降，本身風(fēng)蘊(yùn)含的總能量降低，再結(jié)合式（5），此時(shí)風(fēng)電機(jī)組已不能實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能追蹤。

此時(shí)由于風(fēng)蘊(yùn)含總能量降低，結(jié)合式（1）可得：

功率P、轉(zhuǎn)矩T、轉(zhuǎn)速W 關(guān)系如下：

式中：a為常數(shù)。

結(jié)合式（6）、（7）、（8），可得：

由式（9）可知：空氣密度下降時(shí)，適當(dāng)調(diào)小轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表中對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩值，即可實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能的追蹤。

同樣可以得到：空氣密度上升時(shí)，適當(dāng)調(diào)大轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表中對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩值，即可實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能追蹤。

以上方案控制器實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于空氣密度的獲得，為克服該難點(diǎn)，方案采用爬山搜索法搜尋風(fēng)電機(jī)組的最佳功率，該方法無需測量風(fēng)速，也不需知道風(fēng)機(jī)具體的功率特性。爬山法具體實(shí)現(xiàn)如下：機(jī)組轉(zhuǎn)矩控制仍以轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表為主，在此基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)值Δω，并觀測功率的變化：若功率增加，則擾動(dòng)的方向不變；否則改變擾動(dòng)方向。算法流程見圖3。

圖3 爬山法算法流程

式中：Kt為比例系數(shù)。

依據(jù)P（功率）-W（轉(zhuǎn)速）曲線，特定風(fēng)速下，在P值最大點(diǎn)上有＝0。由此設(shè)置P，當(dāng)b｜ΔP（K）｜＜Pb時(shí)，取 Kt＝0，防止超調(diào)現(xiàn)象出現(xiàn)。

由此，機(jī)組可確保運(yùn)行在最佳Cp值附近，實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能捕獲。

此外，機(jī)組對(duì)每一轉(zhuǎn)速下施加的最終轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在滿足條件時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表進(jìn)行微調(diào)，這樣進(jìn)一步減少了調(diào)節(jié)時(shí)間。

在年度溫差較大的風(fēng)場，機(jī)組為在溫度低和溫度高的季節(jié)都實(shí)現(xiàn)最佳風(fēng)能捕獲，機(jī)組沿著不

控制中，對(duì)Δω的取值引入反饋和比例控制環(huán)節(jié)，增加控制的穩(wěn)定性，減少調(diào)節(jié)時(shí)間，通過式（10）和式（11）計(jì)算Δω的值。同的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表運(yùn)行。

3 效果驗(yàn)證

該方案在實(shí)驗(yàn)室仿真通過后，選擇一臺(tái)1.5MW試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，將優(yōu)化后的控制方案載入該風(fēng)機(jī)控制器中；另在該樣機(jī)附近就近選擇一臺(tái)同型號(hào)機(jī)組進(jìn)行對(duì)比分析，在風(fēng)況完全相同的情況下，取一年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2臺(tái)機(jī)組發(fā)電量對(duì)比情況見圖4。

圖4 機(jī)組發(fā)電量對(duì)比

4 結(jié)語

經(jīng)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知：與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩表控制方案相比，本文所討論的方法可有效提高發(fā)電量，有利于機(jī)組最佳風(fēng)能捕獲。需要說明的是，風(fēng)速變化過快時(shí)，轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)過大會(huì)加重機(jī)組減振環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)，延長機(jī)組振動(dòng)控制模塊的調(diào)節(jié)時(shí)間。

［1］鄧禹，鄒旭東，康勇，等 .變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)風(fēng)能捕獲控制［J］.通信電源技術(shù)，2005，22（3）：21-24，31.

［2］閆耀民，范瑜，汪至中 .永磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的自尋優(yōu)控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，17（6）：82-86.

［3］楊金明，吳捷，董萍，等 .基于無源性理論的風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能捕獲控制［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2003，24（5）：724-728.