兆瓦級風電機組的功率曲線優化策略

馬靖聰

（大連尚佳新能源科技有限公司，遼寧 大連116000）

1 功率曲線優化原理

在風機控制系統中，風機將葉片吸收的風能，經齒輪箱、傳動軸和發電機等機械部件的損耗，將得到的能量轉化為電能輸送到電網。而單機容量加大，兆瓦級機組葉片也隨之加大，此時葉輪的質量就不能忽視。在風機的實際運行中，面臨風速的變化性大的特點，因為葉輪質量大，就存在較大的轉動慣量，發電機的轉速不能及時跟蹤風速變化，因此考慮葉輪轉動慣量的因素，對于更精確的追蹤風能而言是必要的[2]。

目前老舊機組的功率曲線不能達到機組設計初期保證值，主要表現在原有控制程序算法中, 低風速階段槳距角沒有實現動態控制，低風速和高風速兩個轉速控制階段控制響應速度不夠優化，導致在各個風速區間測量發電量與保證發電量差別較大。在主控程序控制算法方面主要從以上兩個方面進行改進。另外，主控PLC 軟件的設置參數和設備選型往往采用默認參數，沒有針對每臺風機做精確校準,導致長期的發電量損失。此外，主控PLC 軟件控制參數也有需要重新調整的地方，比如某臺1.5MW 風機的額定轉速是1800rpm，但是該風機由于參數設置問題，導致風機高風速時轉速無法達到1800rpm，風機發電功率不能達到1.5MW，這就會嚴重影響風機的發電量。

風機的轉矩控制系數與空氣密度直接相關，由于每臺風機所處的地理位置不同，海拔高度和環境溫度會對空氣密度產生較大的影響，為了在各種環境情況下保證風機的可利用率Cp處于最佳功率曲線上，需要根據環境溫度和海拔高度計算出空氣密度，再使用當前葉片角度實時計算轉矩系數。此外，在高風速時，風機需要切除運行，目前設置的重新工作風速較低，造成很大一段高風速區間內風機不運行，因此，風機的切入切出風速也需要優化設置。由于風速突變、三個槳葉受力不均等原因，會引起風機塔筒振動，對風機發電量和安全運行造成不利影響。因此，需要在風機變槳控制中加入自動阻尼控制策略，減小風機振動，延長風機壽命并提高發電量[1]。針對以上問題，本文將提出幾種算法對老舊機組進行改進。

2 最優轉矩轉速運行控制

其中葉輪最優轉矩計算公式為：Tr=K*W^2，其中Tr 為葉輪最優轉矩，W 為發電機轉速,K 為轉矩系數。

傳統的轉矩- 轉速控制方法中最優電磁轉矩計算公式為：Te=K'*Tr,Te 為葉輪最優轉矩，K'為轉矩轉化效率。

傳統的轉矩- 轉速控制方法中在主控系統中通過對發電機轉速的實時監測，按對應的表格對發電機的轉距進行設定，使發電機的電磁轉距實時跟蹤控制程序中的設定值，從而實現在低于額定風速下的最大功率跟蹤。查表控制是廣泛采用的控制方法，控制比較容易實現，但是控制響應慢，精度低。而且在風頻變化較快時候，容易產生偏差，并引起機組的振動。在控制過程中，其轉矩- 轉速曲線要盡可能在最佳Cp 曲線上，達到這種要求的曲線就可以稱之為先進的控制算法。

先進的控制算法指的是首先通過特殊的變槳控制算法，使風機的最優轉矩- 轉速曲線從不好的運行區間調整到更優秀的運行區間；然后適當拓展發電機的轉速運行范圍，讓風機運行在最佳葉尖速比的風速區間增加。

當環境溫度很高的時候，超出齒輪箱的冷卻系統極限能力后，風機進入限功率狀態。老舊機組的限功率方案是維持發電機轉速在1800rpm,降低發電機的轉矩，但是齒輪箱的產熱量和發電機轉速關系比較大，這樣風機的輸出功率很快就穩定在400KW 左右；文中的限功率方案為同時降低發電機轉速和轉矩，這樣齒輪箱的產熱量就比之前的方案要少，風機可以發出更多的電能[3]。

3 變槳雙PI 控制實現轉矩最優控制

兆瓦級風力發電機組主要通過PLC 控制器來對機組進行控制，主控PLC 軟件功率控制功能塊采用了轉矩控制和變槳控制相耦合的方式。通常來講，在風速遠小于額定風速以下時，通過轉矩控制以維持最佳葉尖速比，以追求最大風能利用系數；在額定風速以上拐點處，如果風速波動很大，就要通過適當的變槳來實現平滑的過渡[4]。當風速滿足風電機組可以輸出全部出力的時候，轉速控制環和變槳控制環會同時發揮作用，通過兩者的協調控制保持轉速和轉矩的最終恒定運行，這也就可以使得機組可以輸出恒定的功率。在風速不能達到機組滿載運行的時候，主控PLC 會通過不停地控制變槳變頻器來控制葉片的角度，從而使得機組發電機轉速間接得到控制，最終達到我們想要的轉速跟蹤效果，這種控制方式其實也被叫做雙PI 控制方法，是由兩個簡單的PI 環節組成。但是額定風速以上風機系統模型的強烈非線性使得控制器參數選擇比較困難，需要特別設計。在機組發電運行當中速度控制器和槳葉角度控制器是同時運行的，為了使這兩個控制器能夠完美的耦合在一起，當自然風速遠遠超過額定風速或遠遠低于額定風速時，系統就會使兩個控制環當中的一個環達到飽和狀態。也就是說，在風電機組運行的大多數時間里還是只有一個控制器處于激活狀態的，這種狀態可以持續到當機組運行到接近額定轉速的時刻，這個時候可以考慮建立相互作用的雙環控制，用來達到平順的過渡。

變槳的雙PI 控制結構在變槳轉速PI 控制中，輸入參數為發電機實際轉速以及目標轉速，輸出為變槳角度指令Ⅰ；在變槳轉矩PI 控制，輸入為實際功率（轉矩）和目標功率（轉矩）輸出為變槳角度指令Ⅱ。變槳角度指令Ⅰ和變槳角度指令Ⅱ相加為最終變槳角度輸指令。采用轉速雙PI 控制，可以實現轉矩- 轉速曲線最優Cp 曲線，在處于最佳Cp 曲線上時，讓風機能在更大的功率范圍內跟蹤最佳Cp 曲線，優化了機組的功率曲線，從而獲得更多的發電量。

4 轉動慣量補償

風機通過葉片所吸收的風能Ei，通過齒輪箱、傳動軸等機械部件損耗Em，以及發電機等電氣部件等的損耗Ee，最終得到的能量Eg 轉化為電能輸送到電網。公式為：Eg=Ei-Em-Ee。隨著單機容量不斷的加大，兆瓦級機組的葉片也在不斷加大，葉輪的質量就不能忽視。實際運行中，風速的變化性非常大，但是由于葉輪較大的質量，存在較大的轉動慣量I，發電機轉速不可能很快的跟蹤風速的變化，因此考慮葉輪轉動慣量的因素，對于更精確的追蹤風能是更為有利的，公式就轉變為：

Eg=Ei-Em-Ee-（I*ω^2）/2，其中ω 為風輪轉速。

以上能量關系體現在轉矩控制上，風輪的轉矩和發電機轉矩之間的關系為：

Torque_generator=Torque_rotor-Torque_loss-Iω'。 其 中 ，Torque_generator 為發電機的轉矩，Torque_rotor 為風輪獲得的轉矩，Torque_loss 為機械損耗轉矩，ω'為風輪加速度。由之前公式可見，在考慮風輪轉動慣量的情況下，發電機轉矩和風輪轉矩之間存在一定的差異，在風機控制上，是通過調節風輪轉矩來實現最大風能跟蹤，但是實際受控的是發電機轉矩。因此，考慮到葉輪轉動慣量造成的轉矩誤差，能夠實現更精確的轉矩控制以及更快速的響應風速變化，從而提高發電量。

當風速增大時，發電機轉速需要響應升高以實現最大風能跟蹤。在不考慮轉動慣量的情況下，采用原有控制策略，需要約30s 時間風機的轉速和轉矩才能達到穩定。在控制中加入轉動慣量補償之后，發電機轉矩先下降，以利于轉速更快升高，可見20s 之后風機的轉速和轉矩即可以達到穩定，比原控制方案響應時間縮短10s，從而能夠更快響應風速的變化，盡快進入最大風能跟蹤狀態，提高發電量。

5 結論

本文主要針對兆瓦級風電機組的控制策略進行優化，在對PLC 軟件控制環節進行以上幾點優化后，可以使得機組的涉及轉速參數的響應得到了明顯的提升，這也就為老舊機組的控制策略更新提供了建設性的思路。