孟新光 邵勤豐

摘 要：隨著風(fēng)電發(fā)電在電網(wǎng)中比例的提高，要求各個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)具備功率管理功能。風(fēng)電場(chǎng)接受電網(wǎng)調(diào)度的有功功率指令，分配下發(fā)給各個(gè)風(fēng)機(jī)，各個(gè)風(fēng)機(jī)根據(jù)下發(fā)的功率管理指令，穩(wěn)定快速準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)有功功率輸出。本文對(duì)如何提高單臺(tái)風(fēng)機(jī)快速穩(wěn)定響應(yīng)調(diào)度指令進(jìn)行研究。提出一種利用率較高，穩(wěn)定，快速的一種方法。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);功率管理

0.前言

目前功率控制技術(shù)中多采用調(diào)節(jié)扭矩的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)功率輸出的調(diào)節(jié)。該方法雖然實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單，但在風(fēng)況在中等以上時(shí)，降低扭矩增加了變槳系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，并且增大了風(fēng)力發(fā)電機(jī)超速停機(jī)的可能性。因?yàn)樵陲L(fēng)況在中等以上的情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速下，降低扭矩的阻力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速受風(fēng)的影響增大，要控制好轉(zhuǎn)速，則變槳系統(tǒng)工作負(fù)擔(dān)加重，并且在湍流風(fēng)的影響下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)超速停機(jī)的可能性也增加。

本文介紹一種風(fēng)機(jī)單機(jī)有功功率管理的控制策略，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快速調(diào)節(jié)有功功率輸出。主要特點(diǎn)是：最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算;風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的方法。其中穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算采用了保持風(fēng)機(jī)控制策略算法的完備性的情況下，計(jì)算出最優(yōu)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn);率管理的調(diào)節(jié)范圍從0到額定功率;綜合考慮風(fēng)機(jī)葉片、風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)和變流器系統(tǒng)的工作性能;穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)方式，設(shè)定轉(zhuǎn)速采用加速度的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)定轉(zhuǎn)矩以恒定速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控制算法

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)主控制算法常見(jiàn)的有兩種，圖1中的A-B1-C1-E和A-B-C-E，其中A-B-C-E為早期算法，稱(chēng)查表發(fā)，風(fēng)機(jī)在正常發(fā)電狀態(tài)時(shí)，有兩個(gè)運(yùn)行環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩查表控制和變槳控制。轉(zhuǎn)矩查表環(huán)節(jié)發(fā)生在額定風(fēng)速以下階段，槳葉完全打開(kāi)，主控根據(jù)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)速查表得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩值。變槳控制環(huán)節(jié)發(fā)生在額定風(fēng)速以上，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩，通過(guò)變槳系統(tǒng)調(diào)節(jié)能量捕獲控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在額定轉(zhuǎn)速。

A-B1-C1-E為轉(zhuǎn)矩雙PI控制算法。風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時(shí)，A-B1和C1-E兩個(gè)階段是通過(guò)轉(zhuǎn)矩PI控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在恒定轉(zhuǎn)速。B1-C1為轉(zhuǎn)矩查表法。風(fēng)速大于額定風(fēng)速，依然是變槳控制環(huán)節(jié)。

2.工作點(diǎn)的計(jì)算

常規(guī)的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通常采用3個(gè)槳葉。每種翼型的槳葉都有一個(gè)最優(yōu)風(fēng)速功率曲線，如圖1中農(nóng)紅色的曲線。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)點(diǎn)落在這條曲線上時(shí)，風(fēng)能的利用率達(dá)到最高。當(dāng)風(fēng)機(jī)處于功率控制狀態(tài)時(shí)，設(shè)定轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)矩不能落在這條曲線上時(shí)，并且此時(shí)捕獲的功率小于設(shè)定功率時(shí)，就不能達(dá)到風(fēng)能利用率的最大化。因此在功率管理工作點(diǎn)的計(jì)算時(shí)需要根據(jù)風(fēng)機(jī)接受到的有功功率值，結(jié)合風(fēng)機(jī)葉片翼型的最優(yōu)Cp曲線計(jì)算相應(yīng)的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，計(jì)算出相應(yīng)的設(shè)定轉(zhuǎn)速值和設(shè)定轉(zhuǎn)矩值。這樣就保證了即使風(fēng)機(jī)工作在功率管理的狀態(tài)下，依然可以保證風(fēng)速對(duì)應(yīng)功率小于功率管理給定功率的工況時(shí)，風(fēng)機(jī)依然保持最優(yōu)Cp，能量捕獲和轉(zhuǎn)換的效率最高。

圖 1

因?yàn)殡p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變流器有最小工作轉(zhuǎn)速，因此在風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中采用的工作線路是A-B1-C1-E或者A-B-C-E。因此在的功率管理時(shí)，計(jì)算新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)要根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)下發(fā)給風(fēng)機(jī)的有功功率指令在A-B1-C1-E曲線或者A-B-C-E曲線上面找，這樣就保證了在工況到達(dá)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)之前時(shí)，風(fēng)機(jī)依然保持和非功率管理情況下同樣的工作狀態(tài)。點(diǎn)的計(jì)算以X軸為轉(zhuǎn)速，Y軸為轉(zhuǎn)矩，因此每個(gè)點(diǎn)都唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)有功功率值，一個(gè)有功功率設(shè)定值也唯一對(duì)應(yīng)一組設(shè)定轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)矩值。功率管理設(shè)定值的范圍從0kw到額定功率。

3.快速平穩(wěn)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

當(dāng)處于功率管理狀態(tài)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接受到新的功率管理設(shè)定值時(shí)，快速調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，根據(jù)不同工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)方式不盡相同，必須結(jié)合考慮風(fēng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，再確定調(diào)節(jié)設(shè)定轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)矩的方式，再綜合考慮風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)和變流器系統(tǒng)的響應(yīng)能力，以平穩(wěn)且最優(yōu)的調(diào)節(jié)速率調(diào)節(jié)設(shè)定轉(zhuǎn)速值和設(shè)定轉(zhuǎn)矩值。

根據(jù)穩(wěn)定工作點(diǎn)計(jì)算出相應(yīng)的設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速值值V目 和設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值Q目 。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié);所述調(diào)節(jié)的方式分兩部分：設(shè)定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和設(shè)定轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。

設(shè)定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)具體是指：設(shè)定一設(shè)定轉(zhuǎn)速V設(shè) ，在控制周期內(nèi)分別與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值V實(shí) 和設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速值V目 相對(duì)比;當(dāng)設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速值V目 與設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè) 的差的絕對(duì)值大于100，則判斷設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè)與發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值V實(shí)的差值。當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè)與發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值的差值滿足? ? ? ? ? ? ? ? ?，t表示調(diào)節(jié)周期。則下一控制

周期內(nèi)設(shè)定轉(zhuǎn)速值V′設(shè) 改變，即? ? ? ? ? ? ? ? 。當(dāng)? ? ? ? ? ? ? ?，則下一控制周期內(nèi)設(shè)定轉(zhuǎn)速值設(shè)V′設(shè) 不變，即V′設(shè)=V設(shè) 。等待發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速值V實(shí) 上升或下降至V′設(shè) ，然后繼續(xù)增加或減小設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè) ，直至設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè) 接近設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速值V目 ，即滿足

│V目-V實(shí)│≤100 。當(dāng)│V設(shè)-V實(shí)│<10 則下一控制周期內(nèi)設(shè)定轉(zhuǎn)速值V″設(shè)=V設(shè)±10 ，當(dāng)│V設(shè)-V實(shí)│≥10 則下一控制周期內(nèi)設(shè)定轉(zhuǎn)速值V″設(shè)=V設(shè)。等待發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速值V實(shí) 上升或下降至V″設(shè) ，然后繼續(xù)增加或減小設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè) ，直至設(shè)定轉(zhuǎn)速值V設(shè)與設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速值V目 相等，然后將發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速值V實(shí) 上升或下降至V目 。

設(shè)定轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)具體是指：在每個(gè)控制周期內(nèi)以一個(gè)固定值Qα 進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩值Q實(shí) 與設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值Q目 相等;所述固定值

，t表示調(diào)節(jié)周期，Q額 表示發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。

降功率時(shí)采用同樣的方法，反之即可。

圖 2

以1.5MW雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例。額定轉(zhuǎn)矩為8469N.M。以300N.M/s的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。無(wú)論是升功率還是降功率都以300N.N/s 的速率調(diào)節(jié)。這樣保證了最大的調(diào)節(jié)周期在30秒以?xún)?nèi)。

圖 3

4運(yùn)行效果

目前此方法已在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)使用中，運(yùn)行效果良好，如圖3所示。其中備有3為功率管理的設(shè)定功率值。從圖可以看到，風(fēng)機(jī)有功功率值跟隨有功功率設(shè)定值跟隨的快速準(zhǔn)確。

5結(jié)論

在實(shí)際的應(yīng)用中，此方法可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定快速的功率調(diào)節(jié)響應(yīng)。未來(lái)需要進(jìn)一步研究的方向：精確最優(yōu)工作點(diǎn)計(jì)算的，需要考慮海拔、溫度、氣壓等因素的影響;設(shè)定目標(biāo)值的調(diào)節(jié)采用完全閉環(huán)PID調(diào)節(jié);當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩不再是額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩時(shí)，整機(jī)運(yùn)行算法參數(shù)的整定。

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