一種最佳風能捕獲策略

曹書強，杜書旺

（北車風電有限公司，濟南250000）

風電作為一種無污染的綠色能源，近年得到迅猛發展，隨著陸上風電場的大規模建設，低風速型風力發電機組漸漸成為風電機組的發展方向，風電場也漸漸朝向風資源稍差的內陸發展［1］。因此，風電機組會有較長時間在額定風速以下工作，機組的最佳風能捕獲就顯得尤為重要。

以下介紹一種利用轉速-轉矩表結合爬山搜索法實現風電機組最佳風能捕獲的方法。通過仿真及現場驗證，該方法收到了比較好的效果。

1 風力發電機基本理論

由貝茲理論，風力發電機組正常運行時吸收風能而產生的機械功率為［2］：

式中：Pm為機械功率；ρ為空氣密度；A為風輪掃略面積；Cp為風能利用系數；V為風速。

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

風能利用系數Cp為機組將風能轉換為機械能的效率，由貝茲理論得到機組Cp值最大為0.593［3］，實際的風能利用系數小于0.593，最佳風能追蹤的實現就是使風能利用系數盡可能地接近極限值。對于變速變槳風力發電機組，風能利用系數與葉尖速比λ、槳距角β有密切關系。在額定風速以下時，槳距角β保持為0，因此葉尖速比λ在最佳風能追蹤時成為調整對象。

通常情況下，Cp-λ曲線依據風場統計數據及機組設計相關信息，通過仿真獲得。圖1為某機型在β分別為-0.5°、0°、0.5°時通過仿真得到的Cp-λ曲線。

圖1 Cp-λ曲線

2 最佳風能追蹤方法

轉速-轉矩表方法是機組轉矩值隨發電機轉速變化而變化，這種方法適用于發電機極數較少、額定轉速較高的情況［3］。轉速-轉矩表的獲得步驟如下：

（1）仿真得出最佳Cp對應λ。

式中：Rw為風輪半徑；W 為風輪轉速；V為風速。

由式（2）可得出：特定風速下對應最佳風能時的風輪轉速W，由W 并結合機組齒輪箱變比可獲得發電機轉速R。

（3）由風場統計平均空氣密度ρ，結合式（1），可得出機組在特定風速下吸收的最大機械能Pm。

（4）由機組吸收的最大機械能Pm，結合機組的轉換效率η，可得出機組發出最大電功率Pe。

（5）由Pe與發電機轉速R、轉矩T的關系可獲得此風速下對應的轉矩T。

由此，便獲得了機組轉速-轉矩曲線，即轉速-轉矩表。圖2為某大型風力發電機組轉速-轉矩曲線。

圖2 轉速-轉矩曲線

在通常的控制方案中，轉速-轉矩表被固化在控制程序中，機組在運行時通過查表獲得轉矩值，實現風能追蹤。通常情況下，尤其是在冬、夏季溫差明顯的地區，空氣密度以年為單位在ρ±Δρ范圍內變動，下面以空氣密度為ρ-Δρ（通常為夏季）、風速為V（小于額定風速）時，對機組運行情況進行分析。

假定此風況下風輪轉速為W′，依機組設計條件（以空氣密度為ρ進行計算）該風速下風輪轉速應為W。由于空氣密度降低，風蘊含的總能量降低，風電機組吸收的機械能量不可避免地降低，因此有：

由式（3）結合式（2），有：

而此時槳距角β不變，由Cp值與λ、β對應曲線有：

由于空氣密度下降，本身風蘊含的總能量降低，再結合式（5），此時風電機組已不能實現最佳風能追蹤。

此時由于風蘊含總能量降低，結合式（1）可得：

功率P、轉矩T、轉速W 關系如下：

式中：a為常數。

結合式（6）、（7）、（8），可得：

由式（9）可知：空氣密度下降時，適當調小轉速-轉矩表中對應轉矩值，即可實現最佳風能的追蹤。

同樣可以得到：空氣密度上升時，適當調大轉速-轉矩表中對應轉矩值，即可實現最佳風能追蹤。

以上方案控制器實現的難點在于空氣密度的獲得，為克服該難點，方案采用爬山搜索法搜尋風電機組的最佳功率，該方法無需測量風速，也不需知道風機具體的功率特性。爬山法具體實現如下：機組轉矩控制仍以轉速-轉矩表為主，在此基礎上增加轉矩擾動值Δω，并觀測功率的變化：若功率增加，則擾動的方向不變；否則改變擾動方向。算法流程見圖3。

圖3 爬山法算法流程

式中：Kt為比例系數。

依據P（功率）-W（轉速）曲線，特定風速下，在P值最大點上有＝0。由此設置P，當b｜ΔP（K）｜＜Pb時，取 Kt＝0，防止超調現象出現。

由此，機組可確保運行在最佳Cp值附近，實現最佳風能捕獲。

此外，機組對每一轉速下施加的最終轉矩擾動值進行統計分析，在滿足條件時，對轉速-轉矩表進行微調，這樣進一步減少了調節時間。

在年度溫差較大的風場，機組為在溫度低和溫度高的季節都實現最佳風能捕獲，機組沿著不

控制中，對Δω的取值引入反饋和比例控制環節，增加控制的穩定性，減少調節時間，通過式（10）和式（11）計算Δω的值。同的轉速-轉矩表運行。

3 效果驗證

該方案在實驗室仿真通過后，選擇一臺1.5MW試驗樣機進行驗證，將優化后的控制方案載入該風機控制器中；另在該樣機附近就近選擇一臺同型號機組進行對比分析，在風況完全相同的情況下，取一年統計數據，2臺機組發電量對比情況見圖4。

圖4 機組發電量對比

4 結語

經機組運行數據對比分析可知：與傳統的轉速-轉矩表控制方案相比，本文所討論的方法可有效提高發電量，有利于機組最佳風能捕獲。需要說明的是，風速變化過快時，轉矩擾動過大會加重機組減振環節的負擔，延長機組振動控制模塊的調節時間。

［1］鄧禹，鄒旭東，康勇，等 .變速恒頻雙饋風力發電系統最優風能捕獲控制［J］.通信電源技術，2005，22（3）：21-24，31.

［2］閆耀民，范瑜，汪至中 .永磁同步電機風力發電系統的自尋優控制［J］.電工技術學報，2002，17（6）：82-86.

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