基于自适应空气密度变化的直驱式风机控制策略优化分析

崔 锐，李晓江，刘国栋

(京能山西漳山发电有限责任公司，山西长治046021)

基于自适应空气密度变化的直驱式风机控制策略优化分析

崔 锐，李晓江，刘国栋

(京能山西漳山发电有限责任公司，山西长治046021)

为了有效改善直驱式风力发电机组的功率曲线，确定在空气密度降低的情况下，提出采用功率自适应来优化风机的控制策略。利用MATLAB/SIMULINK搭建了1.5 MW直驱式风力发电机组仿真模型，风速在3～10 m/s变化时仿真数据与现场实际数据基本一致，验证了仿真模型的准确性。将功率自适应方案嵌入仿真模型，仿真结果表明：采用功率自适应方案优化后的功率输出大于优化前的输出值，验证了控制方案的有效性。

直驱式风力发电机组；功率自适应；控制策略

0 引言

在直驱式风机控制策略中，发电机扭矩是按照标准空气密度来计算的，但在实际中空气密度是实时变化的，从而造成风机的利用效率下降。因此，国内众多研究机构提出了各种方法以解决风机效率低下的问题，如加装涡流发生器、激光雷达对风、控制策略优化等。控制策略的优化不仅可以提高风机的发电效率，而且有助于提升风机的控制水平[1，2]。本文提出采用功率自适应来优化风机的控制策略，使得最优模态增益Kopt实时追踪空气密度的变化。利用MATLAB/SIMULINK仿真工具搭建1.5 MW风机系统仿真模型，嵌入风机当前及改进后控制算法，得出2种控制方案下的功率曲线[3]。仿真结果表明：采用功率自适应方案优化后的风机功率输出大于优化前的输出值，验证了控制方案的有效性。

1 直驱式风电机组常规控制策略

1.5 MW直驱式风力发电机组典型的转速-扭矩曲线如图1所示。通过对机组常规控制策略的研究，可以将其分为4个阶段：(1)风机切入前的阶段；(2)最大功率追踪阶段；(3)额定转速到额定功率阶段；(4)额定功率至大风切出阶段。

图1 转速-扭矩曲线

当机组检测到当前风速达到启动风速并持续一段时间，机组的主控系统向变流器发出启动指令。变流器接收到并网指令后，机组开始执行柔性并网，即从零扭矩逐步增大到启动扭矩。当机组完成并网后，机组转速不断地上升，此时的机组进入最大功率追踪阶段，转速处于并网转速和额定转速之间[4-5]。

2 仿真模型建立

含有双PWM背靠背电压源型变频器的永磁直驱发电机组(PMSG)的基本结构[6]见图2。风力机带动发电机进行发电，频率、电压变化的三相电压经电机侧变流器整流后送入直流母排，再经过网侧变流器逆变为可并网的三相电压。

图2 永磁直驱发电机的基本结构图

PMSG有2个控制目标：当实际风速低于额定风速时，使得风机始终处于最大功率追踪阶段，也就是保持最大风能吸收系数Cp；当实际风速大于额定风速时，受各种机械强度、发电机及变频器等容量的限值，机组进行变桨，使功率、转速维持在额定值附近[7]。

完整的 PMSG 模型及其控制框图见图3。图中：A表示转速控制策略；B表示发电机模型；C表示传动系统模型；D表示风力机模型。

图3 完整PMSG模型及控制框图

运用MATLAB/SIMULINK仿真软件建立了PMSG仿真模型[8，9],具体参数设置如下：PMSG的额定容量Pnom=1.5 MW；PMSG的额定电压Vnom=690 V；频率fnom=50 Hz；直流母线电压VDC-nom=1 200 V；定子电阻Ra=0.006 6 Ω；电感L=0.001 4 H；极对数np=44；切入风速V=3 m/s；额定风速V=12 m/s；风力机转子半径R=38.5 m；等效转动惯量J=4×106kg·m2；转动粘滞系数Bm=0。对风速在3～10 m/s连续变化的情况进行仿真，结果如图4～5所示。

图4 实际功率曲线

图5 仿真功率曲线

在风速变化过程中发电机组的仿真数据经拟合后的仿真数据如图6所示。仿真功率与理论功率基本一致，验证了仿真模型的准确性。

图6 仿真数据比较

3 优化方案

对于直驱型机组，机组所能获得的最大输出功率为：

(1)

发电机此时的扭矩为：

(2)

机组在最初设计阶段就确定了最佳风能吸收系数Cp，也就确定了最佳叶尖速比λopt。发电机最大输出功率与空气密度密切相关，而当地空气密度随时间变化，总是偏离设计值1.225 kg/m3，在现有的控制策略中，最优模态增益Kopt为定值[10-12]。当空气密度发生变化时，对应的机械扭矩就会发生变化，若此时电磁扭矩设定值仍以Tm=Kopt×ω2(当前控制策略Kopt=135 746为定值)加以控制，则发电机转速ω将减小或者增大，此时叶尖速比将偏离λopt，不能维持最佳Cp。若Kopt随着密度ρ而变化，则电磁扭矩设定值Tm=Kopt×ω2将能实时跟踪当前机械扭矩，从而维持最佳叶尖速比λopt。

4 仿真分析

控制策略优化作为功率提升方案的一种，主要集中在最大功率跟踪阶段(3～9 m/s)，鉴于仿真的精确性，仿真过程摒除了并网后的扰动阶段(3～6 m/s)。选取6～8 m/s风速作为仿真条件，分别以固定风速6 m/s、7 m/s、8 m/s，改变空气密度(即改变环境温度)和最优模态增益Kopt加以仿真分析。

ρ=1.293×10^(-h(18 400×

(1+0.003 674t)))/(1+0.003 674t)

(3)

仿真条件：密度公式ρ中，海拔高度h=1 400m，温度t为环境温度，当环境温度t从(-30～30 ℃)变化时，Kopt分别以固定(现有控制方案)和变化(控制策略优化后)2种方式进行控制，仿真功率及风能吸收系数比较如图7～10所示。

图7 6 m/s风速下，2种控制方案下功率比较

图8 7 m/s风速下，2种控制方案下功率比较

图9 8 m/s风速下，2种控制方案下功率比较

图10 最大风能吸收系数比较

0～18 s期间为风机最大功率跟踪阶段，功率随着风速的变化而不断上升，Kopt变化时的功率输出及风能吸收系数略大于Kopt固定时的输出，反映出最优模态增益随外部环境变化而变化时，输出功率平均提升5 kW，风能吸收系数平均提高0.01，功率输出较大，风能吸收系数较大。当风机达到额定功率时，机组开始变桨，不再以追求最大风能吸收系数Cp为目标，此时以额定功率、额定转速、额定扭矩为最终调整目标。

5 结论

本文搭建的1.5 MW直驱式风机仿真模型，对风速在3～10 m/s连续变化的情况进行仿真，仿真数据与理论数据基本一致，验证了仿真模型的准确性。在风机最大功率追踪阶段，采用功率自适应方案来优化风机的控制策略，

使得最优模态增益Kopt实时追踪空气密度的变化。仿真结果表明：采用功率自适应方案优化后的风机功率输出及最大风能吸收系数均大于优化前的输出值，验证了控制方案的有效性。

[1]周英华,郭廷福,蒋科杰.直驱型风力发电机组控制策略研究[J].机电工程,2013,30(3):354-357.

[2]楚峥,李楠.自适应空气密度变化的风电机组最优转矩控制[J].上海电气技术,2014, 7(2): 41-44.

[3]王晨晨,涂娇娇,周国威.直驱式永磁风力发电系统低电压穿越的控制策略研究[J].黑龙江电力,2015,37(2):105-110.

[4]马启蒙,李冬冬,薛花.直驱式永磁同步风力发电最佳风能跟踪控制与实验研究[J].上海电力学院学报,2014,30(6):520-524.

[5]李刚,许湘莲,苗亚，等.直驱式风力发电系统电网侧三电平变流器控制策略研究[J].通信电源技术, 2014,31 (6):1-3.

[6]刘丽丽.风电场空气密度对风电机组发电量影响的研究[J].风能,2015(12) : 86 - 88.

[7]王红君,赵东华,赵辉,等.直驱型风力发电并网逆变器的控制策略研究[J].电源技术, 2015 ,39(6):1289-1292.

[8]崔锐,李晓江,石敏,等.1.5MW直驱式风力发电机组建模与仿真[J].能源与节能,2016, (9):58-59.

[9]侯文宝,周鑫,庞晴晴.直驱式永磁同步风电系统控制算法研究[J].微特电机, 2014, 42 (2):37-41.

[10]王林川,付强,杨己正.直驱永磁风电系统低电压穿越控制策略[J].黑龙江电力, 2016，38(1):1-5.

[11]张鹏举.风电场空气密度对风电机输出功率的影响[J].电力勘测设计，1999, 23(3)：49-51.

[12]张丽萍,陈世慧,郭晓红,等.直驱式永磁同步风电机组最大功率跟踪控制策略的研究[J].自动化博览,2013(3):114-116.

Control Strategy Optimization Analysis of Direct Drive Wind Turbine Based on Self-adaptive Air Density Change

CUI Rui, LI Xiaojiang, LIU Guodong

(Jingneng Shanxi Zhangshan Electric Power Co. Ltd., Changzhi 046021, China)

In the case of the air density reduction，the control strategy of direct drive wind turbine is optimized by using the power adaptation to improve the power curve and solve the problem of low utilization efficiency. Based on Matlab/Simulink, the wind power system simulation model with a 1.5 MW direct-drive permanent magnet synchronous generator is established in this paper. With the continuous change of wind speed in the case of 3～10 m/s, the simulation data and the theoretical data are consistent, which verifies the accuracy of the simulation model. The values of the power output and the maximum wind energy absorption coefficient are larger than the optimal output one. The simulation results verify the effectiveness of the control scheme.

wind turbine unit; power adaptive; control strateg

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.02.008

2016-08-18。

TM315

A

1672-0792(2017)02-0045-04

崔锐(1987-)，男，工程师，研究方向为火电厂智能控制、直驱式风机控制策略优化。