風電機組低風速發電優化控制分析

文 | 吳行健 李強 劉昊

風電機組低風速發電優化控制分析

文 | 吳行健 李強 劉昊

“十二五”期間，我國將大力推動清潔能源的高效利用，作為清潔能源的重要組成部分，風能產業未來五年發展潛力巨大，預計中國的風電裝機容量將會在2015年達到9000萬千瓦。風電產業將實現規模化，標準化，高科技化，在控制風電行業發展速度的同時提高發展質量。

目前風電機組大多為水平軸升力型，是利用葉片的特殊氣動外形，在風吹過時，葉片上產生升力，進而產生旋轉力矩，帶動發電機發出電能。在風速低于額定風速時，風電機組主要是工作在欠功率狀態，即葉片的槳距角被調整到固定槳距角位置，通過調節電磁轉矩來達到較高的能量利用率。

根據IEC 標準中三類風電場的風速分布，我國大部分風電場介于二類風電場和三類風電場之間。風電機組主要年工作小時數，從切入風速（4m/s 左右)到額定風速（12m/ s左右)為大約6000 h，而額定風速以上的年工作小時數大約為1381 h。由此可見，風電機組約有80%的時間工作在低風速下。在低風速下，風電機組主要根據靜態轉速－扭矩曲線進行控制方式，這會受到風速，風向以及葉片型號的影響，使得風電機組處于非最優能量吸收狀態，導致風能利用率的降低，對風電機組產品的性能以及發電量造成一定的影響。因此，本論文針對風電機組低風速下對風能利用率不能達到最佳的問題，提出了新的風電機組低風速能量利用優化控制系統，設計了低風速下能量捕獲的控制環節和解決方法，對于提高風電機組在低于額定風速情況下工作時的能量吸收效率，進而提高風電機組年發電量產生巨大的影響。

風電機組低風速發電傳統控制

在達到額定風速之前，風電機組槳距角固定于最優槳距角處，主要通過控制發電機電磁轉矩來控制葉輪轉速，從而實現對最優葉尖速比的跟蹤，保證風電機組始終在最優的風能利用系數曲線狀態下運行，實現最優的風能利用效率。

在風電機組葉片翼型確定以后，結合葉輪的半徑R，葉輪轉速ω，空氣密度ρ和齒輪箱的傳動比G，可以得到葉尖速比值 ：

當風電機組運行在并網轉速與額定轉速之間的狀態時，可以計算出發電機不同轉速ωg時的最優電磁扭矩：

從而得到風電機組低風速運行時的靜態轉速－扭矩曲線。在風電機組實際運行時，根據靜態轉速－扭矩曲線設計出的控制方式會受到風速、風向以及葉片型號的影響，使得風電機組處于非最優能量吸收狀態，導致風能利用率的降低。該方法采用的靜態轉速－扭矩曲線考慮的風是穩態風，且從葉輪正面吹來的，而實際的風為三維湍流風，風向及風速是不斷變化的，由于偏航系統反應較慢，導致偏航誤差，風會在左右方向和上下方向與風輪所成的夾角，就造成風輪獲得的升力與靜態情況有所不同。此外計算靜

態轉速－扭矩曲線所用的載荷仿真軟件，一般是根據葉片數據直接計算出來，由于實際葉片和葉片數據模型之間存在誤差，經過計算得出的曲線本身就存在誤差，使用這個曲線控制時，使得風電機組處于非最優能量吸收狀態，導致風能利用率的降低。

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基金項目：該論文受國家高技術研究發展計劃(863 計劃) ：超大型超導式海上風電機組設計技術研究支持，課題編號：2012AA052302

風電機組低風速發電優化控制

本論文提出風電機組低風速能量利用優化控制系統仍以跟蹤線性靜態轉速－扭矩曲線和PI控制為基礎，引入新的葉輪氣動轉矩計算環節和動態優化能量吸收調節環節兩部分作為對靜態曲線各種缺陷的彌補，能夠使風電機組在額定風速以下保持最優的風能利用率。

一、 葉輪氣動轉矩計算環節

由于葉輪處的風速和風向很難實時測量，葉輪產生的氣動轉矩無法直接計算得到，只能通過對低速軸扭矩進行測量和計算獲得。可以在低速軸上安裝傳感器，通過實時測量低速軸的形變量，再根據低速軸的扭轉剛度和扭轉阻尼系數等機械特性參數，實時計算出低速軸的扭轉力矩，然后通過低速軸的扭轉力矩和風輪轉速的變化計算出瞬時風輪的氣動轉矩。

測量低速軸扭轉角采用電阻應變式傳感器,它是以電阻應變計為轉換元件的電阻式傳感器，由彈性敏感元件、電阻應變計、補償電阻等組成，可根據具體測量要求設計成多種結構形式。當彈性敏感元件受到所測量的力而產生變形，并使附著其上的電阻應變計一起變形。電阻應變計再將變形轉換為電阻值的變化，從而可以測量扭轉角等物理量。由于風電機組的低速軸轉速較快，扭轉角測量需要在風電機組低速軸上粘貼應變計組成測量電橋，當彈性軸受扭矩產生微小變形后引起電橋電阻值變化，應變電橋電阻的變化轉變為電信號的變化從而實現旋轉狀態下的低速軸扭轉角測量。對于測量旋轉軸的傳感器，在可靠供電和信號傳輸上采用集流滑環的方式，即低速軸的絕緣處固定了四個銅集流滑環，每個滑環上配置了三個電刷，電刷上連接有導線以便于測試系統連接。滑環通過導線和粘貼在軸上的應變片連接，低速軸產生的扭轉變形轉換成的電信號傳送到集流環上。在低速軸旋轉時，測量信號通過與軸一起旋轉的滑環和固定的電刷傳輸出去。

攝影：夏偉雄

通過實時測量低速軸在工作狀態下的扭轉角度θ，結合低速軸的扭轉剛度和扭轉阻尼系數，可以根據葉輪角速度的變化計算出瞬時葉輪的氣動轉矩：

二、動態優化能量吸收調節環節

能量吸收調節環節是根據測量計算出的瞬時葉輪的氣動轉矩，以線性靜態轉速－扭矩曲線為基礎做出修正，使葉輪始終處于最優能量吸收狀態。為控制發電機電磁扭矩，使風電機組運行在最優葉尖速比狀態下，保證最佳的風能吸收率，可以通過風電機組控制邏輯，對線性靜態轉速－扭矩曲線做出的轉矩控制Qd利用PI控制器作出修正，計算出最優風能能量吸收的電磁轉矩。該PI控制器輸出為：

系統實例仿真

針對一個額定功率為6MW的風電機組，其額定電機轉速1200rpm, 額定電磁轉矩5016Nm，采用GH bladed工具對該風電機組系統進行仿真，Kopt=0.1523，PI控制參數Kp=2.0125，KI=0.4132。在極端相干陣風的情況下，通過對比使用根據線性靜態轉速－扭矩曲線給出的轉矩和使用低風速發電優化控制的Qt得出靜態轉速－扭矩曲線與優化控制后的轉速－扭矩曲線圖，以及風電機組低風速發電優化控制前后功率對比圖。圖1中紅色曲線為使用靜態轉速－扭矩曲線的Cp, 藍色為使用低風速發電優化控制的Qt的Cp。由仿真結果可以看出，在低風速下使用低風速發電優化控制Qt的Cp值比使用靜態轉速－扭矩曲線的Cp值大，即能夠在低風速下捕獲更多的風能，提高了低風速下的發電量。圖2為仿真所用的極端相干陣風。圖3中紅色曲線為使用靜態轉速－扭矩曲線得出的發電功率圖，藍色曲線為使用低風速發電優化控制Qt的發電功率圖，由該仿真結果可以看出，在低風速下，使用發電優化控制Qt能夠獲得比使用靜態轉速－扭矩曲線更高的功率，達到了發電優化的目的，并且使該風電機組系統具有良好的動態響應特性，功率輸出隨著風速的提高能夠很快穩定在額定功率上。

圖1 靜態轉速-扭矩曲線與優化控制后的轉速-扭矩曲線

圖2 極端相干陣風

圖3 風電機組低風速發電優化控制前后功率對比

結論

目前風電機組在低風速下通常根據靜態轉速－扭矩曲線，通過調節電機電磁扭矩控制葉輪轉速，使風電機組運行在最優葉尖速比狀態下，這會使得風電機組處于非最優能量吸收狀態，導致風能利用率的降低。本文所提出的低風速發電優化控制可以解決風電機組產品在低風速下風能利用率不高的問題，通過對測量環節和優化控制環節進行設計和創新，可以提高風電機組低風速情況的運行性能和技術水平，提高風電機組的年發電量，降低度電成本，對提高風電機組產品在市場上的競爭力有重要意義。

（作者單位：國電聯合動力技術有限公司）

攝影：孟憲斐