风机超速问题应对策略研究

曹碧生，邵勤丰，孟新光，刘小艳，刘显波，王东升

(东方电气自动控制工程有限公司，四川德阳，618000)

风机超速问题应对策略研究

曹碧生，邵勤丰，孟新光，刘小艳，刘显波，王东升

(东方电气自动控制工程有限公司，四川德阳，618000)

文章针对大风大湍流下风机容易发生超速的问题，深入研究风机控制算法，提出了优化变桨PI和加入转差加速度系数的策略。Bladed仿真表明，加入超速应对策略后风机转速平稳，变桨响应较快，功率相对平稳且未发生停机，完全可以经受大风大湍流带来的冲击。实际应用该策略的FD77B和FD82B型风机运行情况良好，风机超速停机故障大幅下降。理论仿真和实际应用表明，该策略科学、合理、实用，且具有一定的推广价值。

风机超速，参数整定，算法优化

1 前言

风力发电是目前可再生能源发展的重点，也是可再生能源利用的主要方式。近年来，风力发电发展迅速，风力发电机技术有了很大的发展。风机主控系统是风机控制系统的主体，可实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、故障自动停机、自动电缆解绕及自动记录与监控等重要控制、保护功能。风机的控制是风力发电系统运行中的核心内容之一，即通过控制风机来实现风能的捕获并将其转换为电能，控制的目标是在高风速条件下，将风机的功率和速度限制在某一设定值，以免风机进入不安全运行状态，而在低风速条件下实现风机所能捕获的最大风能。风机的控制系统对风力发电系统的运行影响很大。因此，采用科学的控制策略至关重要。国内控制器在国产化、智能化、安全性和稳定性方面取得了很大成就。国内企业通过这几年的努力，已经在控制系统主要部件的开发上取得了积极进展，已基本形成了自主的技术开发能力。

尽管如此，国产主控器遇到了新的挑战和问题。众所周知，风力发电机在遇到大风大湍流时，应限制风力发电机的风轮转速，否则会引起风机超速。为了风机安全运行，风力发电机设置两重保护值。当风力发电机转速超过第一重保护值后，风机利用变桨系统快速收桨来制动风机。当风力发电机转速超过第二重保护值后，风机利用刹车系统制动和变桨系统收桨制动共同作用让风机停下来[1]。风机超速停机时，不仅会影响风机发电量、故障统计量、可利用率等，而且会对风机产生大的损伤。此外，在大风大湍流下，如果发生风机叶轮飞车，会造成风机叶片损毁、发电机烧毁、倒机等一系列严重事故。因此，为避免或者减少风机在大风大湍流下发生超速故障，展开对风机控制策略研究十分必要。

2 GH控制策略简介

变速变桨发电机组的整个运行控制阶段可以按发电机转速划分成4个阶段，图1为发电机转速与扭矩关系图[2]。在稳定状态下，发电机转速范围是从S1到S2。在低风速情况下，循着一条定常叶尖速比的载荷曲线使风能捕获量达到最大，该载荷曲线对应着以最大功率系数运行的状态，这条载荷线是一条扭矩-转速平面内的二次曲线，如图1中所示的线段B-C。

图1 风机发电机转速与扭矩对应曲线

在发电机转速小于S1前，此时发电机无功率输出，当风速大于切入转速时发电机并网，由于发电机有最小允许运行速度S1，那么在低风速的情况下，就不可能循着B-C段曲线运行，而风机只能沿着图中所示的线段A-B以恒定的速度运行。类似地，在高风速时，一旦达到最大运行速度S2，必然再一次脱离最佳载荷曲线而沿着线段C-D以恒定的速度运行。D点以后是功率恒定区，随着风速增大，为了保护机组不受损坏，控制桨叶角度来保持恒定功率输出。

3 风机超速解决策略设计

经过对风机控制策略研究，提出优化变桨PI和引入转差加速度PI系数2种方式来解决风机超速问题。

3.1 变桨PI优化策略

通过加快变桨响应和减小超调量的方式来优化变桨PI。因此，需要对变桨PI重新整定。

变桨参数整定风速为12～25 m/s。下面为风速13 m/s时的变桨PI优化方法。

未重新整定前，13 m/s时变桨PI为：Kp= 0.009732，Ti=5.0053。图2是风速为13 m/s时参数整定w域根轨迹图，通过调节补偿器的零极点来加快变桨响应和减小超调量。从图3可以明显看出，整个风机系统稳定，幅值裕度为9.21 dB，相角裕度为35.7。。参数整定后，可得出风速为13 m/s时变桨PI为：Kp=0.010568，Ti=4.9867。

图2 13m/s时的w域根轨迹图

图3 13m/s时的稳定裕度图

图4 13 m/s时的风速对转速阶跃响应曲线

图5 13m/s时的风速对桨叶角度阶跃响应曲线

整定后的效果如图4、图5所示。从图4可以看出，风速对转速阶跃响应在12 s时基本趋于稳定，较平常转速响应稳定时间15 s明显加快。在图5中，风速对桨叶角度阶跃响应在12 s时完全稳定，比平常转速稳定时间快3 s。

类似地，对其它风速下的变桨PI进行整定，然后对各种风速下的结果进行线性化最终得到变桨PI线性化列表。

3.2 转差加速度系数策略

当风机运行转速差加速度大于某一值时，风机变桨系统在原PI的基础上乘以相应转差对应的系数值。其原理如下程序所示：

float genaccel[3]={N1,N2,N3}；//转差加速度值，以3个点为例

float kperr[3]={kperr1,kperr2,kperr3}；//转差系数值，以3个点为例

if（Genaccel＜genaccel[1]）//Genaccel为当前转差加速度值

kp=pitchKP；//pitchKP为原始变桨PI值

else if（Genaccel＞genaccel[1]&&Genaccel＞genaccel[2]）

kp=pitchKP*（kperr[1]+（kperr[2]-kperr[1]）/（genaccel[2]-genaccel[1]）*(Genaccl-genaccel [1]））；

else if（Genaccel＞genaccel[2]&&Genaccel＞genaccel[3]）

kp=pitchKP*（kperr[2]+（kperr[3]-kperr [2]）/（genaccel[3]-genaccel[2]）*（Genacclgenaccel[2]）；

else if（Genaccel＞genaccel[3]）

kp=pitchKP*kperr3；

4 风机超速问题解决策略仿真测试及结果

为了验证风机超速问题解决策略在实际风场工况下的可行性，在25 m/s大风大湍流 （如图6所示）情况下利用Bladed软件进行仿真，具体结果如图7～图9所示。

图6 风速为25m/s 3D湍流风

图7 25m/s的3D湍流风下转速对比曲线

从图7可以看出，在25 m/s大风大湍流下，没有加入超速应对策略的风机转速波动偏大且在48 s左右发生停机，而加入超速应对策略的风机转速平稳且未停机。

图8 25m/s的3D湍流风下桨叶角度对比曲线

从图8可以看出，在25 m/s大风大湍流下，没有加入超速应对策略的风机变桨偏慢且在48 s左右发生停机，而加入超速应对策略的风机变桨响应明显加快且未停机。

图9 25m/s的3D湍流风下功率对比曲线

从图9可以看出，在25 m/s大风大湍流下，没有加入超速应对策略的风机功率波动偏大且在48 s左右发生停机，而加入超速应对策略的风机功率输出相对平稳且未停机。

综合图7～图9可知，在风速为25m/s大风大湍流下，没有加入超速应对策略的风机转速波动偏大，变桨响应偏慢，功率波动偏大发生停机，而加入超速应对策略的风机运行平稳且未停机。

5 结论

针对大风大湍流下风机容易发生超速问题，深入研究风机控制算法，提出了优化变桨PI和加入转差加速度系数策略。经Bladed仿真发现，加入超速应对策略的风机转速平稳，变桨响应较快，功率相对平稳且未发生停机，完全可以经受大风大湍流带来的冲击。现已实际应用该策略的FD77B和FD82B型风机运行情况良好，风机超速停机故障大幅下降。总之，不论在理论还是实际应用中，该策略科学、合理、实用，具有一定推广价值。

[1]姚兴佳,王士荣,董丽萍.风力发电技术的发展与现状[J].可再生能源,2006,1(125):86-88

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[3]谢峰,沈维蕾,周必成.风力发电机机舱的静、动态特性有限元分析[J].制造业自动化,2003,25（9）:4-6

[4]邓兴勇,凌志光,周炳海,等.风力机设计软件WTD 1.0气动设计性能分析[J].上海工程技术大学学刊,2000,14（3）: 167-172

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[6]姚兴佳,王士荣,董丽萍.风力机的工作原理[J].可再生能源,2006,2(126):87-89

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[8]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社,2002:18-20

Study on Coping Strategies forW ind Turbine Overspeed

Cao Bisheng，Shao Qinfeng，Meng Xinguang，Liu Xiaoyan，Liu Xianbo，Wang Dongsheng
（Dongfang Electric Auto Control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Forwind turbine overspeed problem in gale and grand turbulence，this paper studies deeply the wind turbine control algorithm，and proposes a strategy of optimizing the pitch PI and adding the speed difference acceleration coefficient.The Bladed simulating result shows that the wind turbine added coping strategies for wind turbine overspeed problem acts smoothly,rapid in pitch response,stable in power output and without shutdown,and can withstand the impact of gale and grand turbulence.The wind turbine adopted such strategy in FD77B and FD82B runswell,and the wind turbine overspeed fault is dropped significantly.Theoretical simulation and practical application results show that the strategy is scientific,reasonable,practical,and has some promotional value.

wind turbine overspeed，parameter tuning，algorithm optimization

TP13

：A

：1674-9987（2014）03-0062-04

曹碧生（1986-），男，助理工程师，硕士，2012年毕业于昆明理工大学控制理论与控制工程专业，主要从事风机程序设计及控制算法研究工作。