一种风力发电机组输出功率平滑控制方法

李大中，尹鹏娟，毛小丽，邬峰

(华北电力大学 自动化系，河北 保定 071003)



一种风力发电机组输出功率平滑控制方法

李大中，尹鹏娟，毛小丽，邬峰

(华北电力大学 自动化系，河北 保定 071003)

基于风力机在不同运行区域中的功率特性，提出了一种改进控制策略。该控制方法在综合考虑转速控制和功率控制的基础上，在变桨控制器中引入了功率前馈控制器，使输出功率对风速的变化提前做出响应；在转矩控制器中加入了转矩补偿控制，使转速高于额定转速时，转矩响应更加快速，并且在确定转矩给定值之前引入一个加权平均值算法，减小给定转矩随风速发生的突变。利用MATLAB对传统和改进两种控制策略进行了验证。验证结果表明：当机组处于过渡区时，在传统控制策略下机组的功率输出值存在较大的扰动，控制效果不理想，而改进的控制策略能够有效地抑制阵风对转矩给定值的扰动，使输出功率更加平滑，减小了对电网的冲击。

风力发电机组；功率平滑控制；功率前馈控制器；转矩补偿器；加权平均算法

近年来，风力发电机组控制策略的研究范围不断扩大，控制技术也由原来的定桨失速控制转向现在的变桨变速控制[1]。风力机的控制主要分为两大部分：最大功率跟踪控制和变桨距控制。目前所研究的传统控制策略中：最大功率跟踪控制主要分为三种，叶尖速比控制、查表法和爬山搜索法，一般采用当前转速通过最佳功率曲线来确定有功功率的给定值，即查表法；桨距角控制中，通过功率的比例积分(proportional-integral，PI)控制来调节桨距角，使功率保持恒定[1-2]。在过渡区时，由于输出功率并未达到额定功率，变桨控制器不起作用，此时输出功率受风速影响较大，风速有任何扰动，都会对风力发电机组输出功率产生很大的影响[3-4]，进而对电网造成一定的影响。

本文在传统控制策略的基础上，引入了功率前馈控制和转矩补偿器，提出了一种改进控制策略，主要用来消除过渡区风速变化以及瞬间载荷对输出功率产生的影响。

1　风力发电机组特性

1.1风力机的基本特性

根据Betz理论，风力机实际获得的功率

(1)

式中：ρ为空气密度；Sw为气流流过的截面面积；v为风速。

当风流过风力机时，一部分风能量传递给风轮，另一部分则被风力机的气流带走，所以风力机实际输出机械功率

(2)

式中：R为风轮叶片半径；CP为风能利用系数，是表征风力机效率的重要参数。在这里为了方便研究CP的特性，引入叶尖速比λ，即风轮叶片的线速度与风速之比，λ=Rwt/v(wt为风轮角速度)，CP与λ和桨距角β的关系如下[2]：

由此可绘制出一条β固定为零时CP-λ曲线，如图1所示。

图1　桨距角固定为零时风力机特性曲线

1.2风力发电机组的功率特性及运行区域

从上面的分析可知，当风速v一定时，随着发电机转速n的改变，CP的值会发生一定的变化，同样风力发电机组的输出功率Po也会发生相应的变化。机组类型确定后，风力发电机组的最大功率跟踪曲线也会确定。本文研究的对象为2MW双馈异步风力发电机组，其最大功率跟踪曲线如图2所示。

在不同的风速下，根据发电机转速n，风力发电机组运行范围可分为4个区域：OA为启动并网区，对发电机进行并网控制；AB为最大功率追踪区，机组随着风速v的变化使CP保持恒定，以追踪最大功率；BC为转速恒定区(也称过渡区)，保持转速不变，功率随风速的增加而增加；CD为恒功率区，通过转速和桨距角的协调控制来限制输出功率稳定在额定值。如图2所示[5]。

图2　最大功率跟踪曲线及运行区域

2　基本风力机控制器

βmax为桨距角变化的最大值。图3　基本风力机控制策略框图

基于此，本文建立了2MW变速恒频双馈风力发电机组模型[7-8]，验证了采用传统控制策略时，风速从 5m/s逐渐增加到 15m/s，发电机转速、桨距角以及输出功率的变化曲线，如图4所示。

图4　传统控制策略下转速、桨距角和输出功率变化曲线

由图4可以看出，当发电机转速达到额定转速时，如果此时风速超过额定风速，机组的输出功率会迅速上升至额定功率。如果在该过渡区内有阵风的扰动，将会对输出功率造成较大的影响，严重时甚至会引起电网波动。而传统控制策略则未能有效解决风速扰动对过渡区输出功率的影响。

3　改进的风力机控制器

本文针对传统控制策略在过渡区受风速影响较大这一不足，对变桨控制和转矩控制分别做出了优化改进。变桨控制中引入了功率前馈控制器，使输出功率对风速的变化提前做出响应，以免引起大的功率波动。转矩控制中在基本转矩控制的基础上，引入一个转矩补偿控制器，从而使转矩的给定更加精确。转矩给定值输出之前引入一个加权滤波，使转矩给定值的波动减小。

3.1改进的变桨控制器

改进变桨控制器的基本控制规则是：输出功率未达到额定功率之前，通过调节发电机转速使输出功率更加平滑；输出功率大于额定功率时，发电机转速保持不变，通过调节桨距角使输出功率保持在额定功率。本文在文献[9-10]基础上，综合考虑了转速和功率控制，提出了一种改进变桨控制策略。改进的变桨控制器如图5所示。

图5　改进的变桨控制器

3.2改进的转矩控制器

图3所示的基本转矩控制器就是最大功率曲线的追踪，这种控制策略在过渡区由于发电机转速保持恒定，输出转矩给定值受风速影响较大，有阵风等扰动出现时，基本的转矩控制器就不能取得良好的控制效果。本文在文献[11]的基础上，提出了一种改进的转矩控制器，如图6所示。

图6　改进的转矩控制器

将改进后的控制策略应用于所建立的2MW变速恒频双馈风力发电机组模型，与改进前风速变化相同条件下，观察改进后发电机转速、桨距角以及输出功率的变化，如图7所示。

图7　改进策略下的转速、桨距角和输出功率曲线

从图7可以看出，控制策略改进后，在过渡区发电机转速和输出功率的变化都比较缓慢，而且过渡区也被扩大。在输出功率达到额定功率之前，桨距角一直保持为零，此时通过调节发电机转速的大小来改变机组输出功率。在运行状态到达恒功率区之前，扩大过渡区，使发电机转速和机组的输出功率以更小的斜率随风速的变化而变化，从而减小瞬时载荷对机组输出功率的影响，使输出功率更加平滑。

以上改进的变桨控制策略和改进的转矩控制策略均是对输出功率进行的平滑优化，而且单独的一种控制策略不能实现该控制效果。因此，要使最终机组的输出功率更加平滑，控制效果更好，必须两者协调配合才能使控制效果达到最佳。也就是说在过渡区，不仅需要功率控制和转速控制的相互配合，同时也需要转矩补偿控制器对查表转矩给定值做出一定的修正，最后再通过加权平均值算法对当前电磁转矩和给定的电磁转矩指令取加权平均，才能得到更为准确的电磁转矩给定值。只有变桨矩控制和转矩控制两者相互配合，协调控制，才能将瞬间载荷对输出功率的影响降到最低，才能使输出功率的平滑控制效果达到最佳。本文在文献[9-11]的基础之上对整体的风力机控制器做出了一些改进，改进后的风力机控制器如图8所示。

图8　整体改进的风力机控制器

4　仿真验证

本文以变速恒频双馈异步风力发电机组为对象，其切入风速为3m/s，额定风速为12.2m/s，切出风速为10min平均风速25m/s或瞬间风速30m/s。该机组额定输出功率2MW，额定电压690V，额定频率50Hz。

为了验证改进控制策略的有效性和优越性。利用MATLAB对基本和改进两种控制策略进行了验证，其结果如图9所示。

图9　改进前后仿真结果

从图9可以看出，控制策略改进后，当风速发生变化时，转速控制和桨距角控制二者相互协调可减小输出功率的变化，虽然发电机转速在额定值附近有所波动，但最终的输出功率更加平滑，从而减小瞬时载荷对机组输出功率的影响，使输出功率平滑控制得到了满意的控制效果。

5　结束语

验证结果表明，使用改进后的控制策略，可得到风电机组输出功率平滑控制的满意效果。具体改进如下：

a) 变桨控制器中引入了功率前馈控制器，使输出功率对风速的变化提前做出响应；

b)转矩控制器中，加入转矩补偿控制器，当转速高于额定转速时，转矩响应更加快速，通过在转矩给定值之前引入一个加权平均值算法，有效地抑制了阵风对转矩给定的扰动。

通过改进策略各模块之间的相互配合，使输出功率更加平滑，从而减小了对电网的冲击。

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(编辑阚杰)

Smooth Control Method for Output Power of Wind Generating Set

LI Dazhong, YIN Pengjuan, MAO Xiaoli, WU Feng

(Department of Automation, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China)

A kind of improved control strategy based on power characteristic of wind turbine in different operating regions is presented. On the basis of comprehensively considering rotate speed control and power control, this method introduces power feed forward controller in the variable pitch controller thus make output power respond to change of wind speed in advance. In the torque controller, it adds torque compensation control which can make torque response more rapid when rotate speed is faster than rated rotate speed. In addition, a weighted average algorithm is introduced before determining set value of the torque so as to reduce mutation of the given torque with change of wind speed. MATLAB software is used to verify basic control strategy and improved control strategy respectively. Results indicate when the wind generating set is in transition zone, there is large disturbance in output value of power under traditional control strategy which means unsatisfactory control effect, while the improved control strategy would effectively restrain disturbance of gust to the torque which can make output power more smooth and reduce impact on the power grid.

wind generating set; power smooth control; power feed forward controller; torque compensator; weighted average algorithm

2016-06-13

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.08.004

TM614

A

1007-290X(2016)08-0017-05

李大中(1961)，男，内蒙古包头人。教授，工学博士，研究方向为新能源发电系统控制及优化、智能优化理论及应用。

尹鹏娟(1990)，女，河北石家庄人。在读硕士研究生，研究方向为新能源发电及综合利用。

毛小丽(1990)，女，山西运城人。在读硕士研究生，研究方向为新能源发电及综合利用。