風電機組的獨立變槳距優化控制系統綜述

長春工程學院 孫 闖 姜志宏 王偉璐 詹長明 王道龍

風電機組的獨立變槳距優化控制系統綜述

長春工程學院 孫 闖 姜志宏 王偉璐 詹長明 王道龍

本文對風電機組的獨立變槳距控制目前的研究及應用情況進行了概述，分析了獨立變槳距控制的依據、基本工作原理、減少載荷和減緩電網電壓波動的獨立變槳距控制策略。最后對獨立變槳距控制方法和發展前景提出了展望。

獨立變槳距控制；槳距角；不平衡載荷；功率波動

0 引言

隨著裝機容量的飛速發展，風電機組逐漸大型化。變槳距成為市場上大中型風力機槳葉控制的主流運轉形式。變槳距控制分統一變槳距和獨立變槳距。前者是通過執行機構對風力機的三個槳葉實施同步調節控制，后者是每個槳葉都有一套獨立的變槳距驅動系統。

1 目前獨立變槳控制技術研究及應用情況

獨立變槳控制研究是本世紀初開始的，經過發展，現在有許多大學、科研院所、公司參與該方面課題的研究，并取得了相應研究成果。目前，國際上獨立變槳控制的研究大部分處在仿真研究階段，少數進入半實物仿真階段，個別進入現場測試階段。實踐證明獨立變槳控制技術可減小風電機組的載荷，穩定風機輸出電壓。

2 獨立變槳控制基本理論

2.1 獨立變槳控制依據

圖1為變槳距風力發電機特性曲線。當風速在額定風速以上時，調節槳距角使輸出功率穩定在額定值。

圖1 變槳距風力發電機特性曲線

圖2 獨立變槳控制基本原理框圖

2.2 獨立變槳控制基本原理

風電機組變速變槳控制目的是：在風速低于額定風速時，通過變速控制實現最大能量捕獲；高于額定風速時，通過變槳控制使發電機輸出功率為額定值。

圖2為獨立變槳控制工作原理框圖。其中集中變槳控制環實現變速變槳控制功能，輸出三個槳葉期望槳距角的相同部分；獨立變槳控制環，可減小風輪不均衡載荷，減少轉子的傾斜和偏航力矩，分別輸出三個槳葉不同的槳距角期望補償值。

3 獨立變槳控制策略

3.1 減少風力渦輪機載荷的獨立變槳控制策略

風力渦輪機系統載荷由基波和高次諧波組成，采用PR控制方法[1]，提出了比例積分諧振獨立變槳控制（PI-R IPC）策略[2]。

PI-R IPC方案、控制器配置及控制回路框圖如圖3-5所示。

圖3 減輕載荷的PI-R IPC方案

圖4 PI-R IPC控制器配置

圖5 PI-R IPC控制回路框圖

文獻[3]將PI-R IPC控制策略與CPC、PI IPC策略進行了對比仿真研究，結果證明，PI-R IPC策略具有顯著減少風力渦輪機平衡和非平衡的載荷作用。文獻[4]對此PI- IPC策略做了改進，采取自適應PI- IPC策略。

圖6 受3P影響的空氣動力學力矩

3.2 減緩風力渦輪機功率波動的獨立變槳控制策略

考慮風切變和塔陰影的影響時，風輪每轉一轉空氣動力學力矩將下降三次[5]，如圖6所示。當空氣動力學力矩被控制在一個較小范圍時，空氣動力功率和發電機的輸出功率也在較小范圍內波動。由此提出了一種新型的減低風力渦輪機輸出功率波動的獨立變槳控制策略[5]，如圖7所示。

圖7 降低功率波動的IPC控制策略框圖

輸出的三個槳距增量為?β1、?β2、?β3，則減緩輸出功率波動的獨立變槳控制器原則如表1所述：

表1 獨立變槳控制原則

該獨立變槳控制策略有效的減緩了由風切變和塔陰影引起的風力渦輪機功率波動。文獻[5]利用Simulink，Turbsim和FAST的仿真軟件對1.5MW逆風風力發電機進行了仿真研究，證明了該策略的有效性。

4 總結與未來趨勢

獨立變槳距控制能減小風力渦輪機平衡載荷和不平衡載荷，提高設備可靠性、延長設備使用壽命、減緩風力渦輪機的輸出功率的波動、穩定輸出功率、提高電網電能質量。

目前，各種獨立變槳距控制技術的方法大多為單一的控制策略，較難控制隨機性風速對風機動態載荷造成的影響；研究多數處于仿真階段，現場的實際測試經驗及結果還很少。今后應對風電系統采用多種控制策略相互結合的優化控制方法，將現場測試作為未來研究的重點。

[1]Zhang,Y．,Chen, Z．,Cheng,M．“Proportional resonant individual pitch control for mitigation of wind turbines loads”,IET Renew．Power Gener．,2013,7(3):191-200．

[2]Yunqian Zhang,Ming Cheng，Zhe Chen．“Load mitigation of unbalanced wind turbines using PI-R individual pitch control”,IET Renew．Power Gener．,2015,9(3):262-271．

[3]Van Engelen,T．G．,van der Hooft,E．L．:“Individual Pitch Control”,Inventory,Technical Report ECN-C-03-138,ECN Wind Energy,ECN Petten, Netherlands．

[4]楊超,李輝,胡姚剛,等．“葉輪不平衡下的風力機自適應獨立變槳控制策略”,電力系統自動化,2015,39(15):35-41．

[5]Yunqian Zhang,Weihao Hu,Zhe Chen．“Individual Pitch Control for Mitigation of Power Fluctuation of Variable Speed Wind Turbines”,Proc．of IPEC 2012 Conference on Power and Energy,2012,638-643．

感謝：該項目得到了吉林省科技廳項目“基于獨立變槳和電力電子的協調優化控制系統的研發”和“新型大功率永磁同步風力發電系統及其控制研究” 、長春市科技局項目“新型大功率永磁同步風力發電系統及其控制研究” 、吉林省教育廳項目“大型風力發電機組獨立變槳及電力電子優化協調控制系統的研發”的支持，在此表示感謝。