兆瓦级风电机组的功率曲线优化策略

马靖聪

（大连尚佳新能源科技有限公司，辽宁 大连116000）

1 功率曲线优化原理

在风机控制系统中，风机将叶片吸收的风能，经齿轮箱、传动轴和发电机等机械部件的损耗，将得到的能量转化为电能输送到电网。而单机容量加大，兆瓦级机组叶片也随之加大，此时叶轮的质量就不能忽视。在风机的实际运行中，面临风速的变化性大的特点，因为叶轮质量大，就存在较大的转动惯量，发电机的转速不能及时跟踪风速变化，因此考虑叶轮转动惯量的因素，对于更精确的追踪风能而言是必要的[2]。

目前老旧机组的功率曲线不能达到机组设计初期保证值，主要表现在原有控制程序算法中, 低风速阶段桨距角没有实现动态控制，低风速和高风速两个转速控制阶段控制响应速度不够优化，导致在各个风速区间测量发电量与保证发电量差别较大。在主控程序控制算法方面主要从以上两个方面进行改进。另外，主控PLC 软件的设置参数和设备选型往往采用默认参数，没有针对每台风机做精确校准,导致长期的发电量损失。此外，主控PLC 软件控制参数也有需要重新调整的地方，比如某台1.5MW 风机的额定转速是1800rpm，但是该风机由于参数设置问题，导致风机高风速时转速无法达到1800rpm，风机发电功率不能达到1.5MW，这就会严重影响风机的发电量。

风机的转矩控制系数与空气密度直接相关，由于每台风机所处的地理位置不同，海拔高度和环境温度会对空气密度产生较大的影响，为了在各种环境情况下保证风机的可利用率Cp处于最佳功率曲线上，需要根据环境温度和海拔高度计算出空气密度，再使用当前叶片角度实时计算转矩系数。此外，在高风速时，风机需要切除运行，目前设置的重新工作风速较低，造成很大一段高风速区间内风机不运行，因此，风机的切入切出风速也需要优化设置。由于风速突变、三个桨叶受力不均等原因，会引起风机塔筒振动，对风机发电量和安全运行造成不利影响。因此，需要在风机变桨控制中加入自动阻尼控制策略，减小风机振动，延长风机寿命并提高发电量[1]。针对以上问题，本文将提出几种算法对老旧机组进行改进。

2 最优转矩转速运行控制

其中叶轮最优转矩计算公式为：Tr=K*W^2，其中Tr 为叶轮最优转矩，W 为发电机转速,K 为转矩系数。

传统的转矩- 转速控制方法中最优电磁转矩计算公式为：Te=K'*Tr,Te 为叶轮最优转矩，K'为转矩转化效率。

传统的转矩- 转速控制方法中在主控系统中通过对发电机转速的实时监测，按对应的表格对发电机的转距进行设定，使发电机的电磁转距实时跟踪控制程序中的设定值，从而实现在低于额定风速下的最大功率跟踪。查表控制是广泛采用的控制方法，控制比较容易实现，但是控制响应慢，精度低。而且在风频变化较快时候，容易产生偏差，并引起机组的振动。在控制过程中，其转矩- 转速曲线要尽可能在最佳Cp 曲线上，达到这种要求的曲线就可以称之为先进的控制算法。

先进的控制算法指的是首先通过特殊的变桨控制算法，使风机的最优转矩- 转速曲线从不好的运行区间调整到更优秀的运行区间；然后适当拓展发电机的转速运行范围，让风机运行在最佳叶尖速比的风速区间增加。

当环境温度很高的时候，超出齿轮箱的冷却系统极限能力后，风机进入限功率状态。老旧机组的限功率方案是维持发电机转速在1800rpm,降低发电机的转矩，但是齿轮箱的产热量和发电机转速关系比较大，这样风机的输出功率很快就稳定在400KW 左右；文中的限功率方案为同时降低发电机转速和转矩，这样齿轮箱的产热量就比之前的方案要少，风机可以发出更多的电能[3]。

3 变桨双PI 控制实现转矩最优控制

兆瓦级风力发电机组主要通过PLC 控制器来对机组进行控制，主控PLC 软件功率控制功能块采用了转矩控制和变桨控制相耦合的方式。通常来讲，在风速远小于额定风速以下时，通过转矩控制以维持最佳叶尖速比，以追求最大风能利用系数；在额定风速以上拐点处，如果风速波动很大，就要通过适当的变桨来实现平滑的过渡[4]。当风速满足风电机组可以输出全部出力的时候，转速控制环和变桨控制环会同时发挥作用，通过两者的协调控制保持转速和转矩的最终恒定运行，这也就可以使得机组可以输出恒定的功率。在风速不能达到机组满载运行的时候，主控PLC 会通过不停地控制变桨变频器来控制叶片的角度，从而使得机组发电机转速间接得到控制，最终达到我们想要的转速跟踪效果，这种控制方式其实也被叫做双PI 控制方法，是由两个简单的PI 环节组成。但是额定风速以上风机系统模型的强烈非线性使得控制器参数选择比较困难，需要特别设计。在机组发电运行当中速度控制器和桨叶角度控制器是同时运行的，为了使这两个控制器能够完美的耦合在一起，当自然风速远远超过额定风速或远远低于额定风速时，系统就会使两个控制环当中的一个环达到饱和状态。也就是说，在风电机组运行的大多数时间里还是只有一个控制器处于激活状态的，这种状态可以持续到当机组运行到接近额定转速的时刻，这个时候可以考虑建立相互作用的双环控制，用来达到平顺的过渡。

变桨的双PI 控制结构在变桨转速PI 控制中，输入参数为发电机实际转速以及目标转速，输出为变桨角度指令Ⅰ；在变桨转矩PI 控制，输入为实际功率（转矩）和目标功率（转矩）输出为变桨角度指令Ⅱ。变桨角度指令Ⅰ和变桨角度指令Ⅱ相加为最终变桨角度输指令。采用转速双PI 控制，可以实现转矩- 转速曲线最优Cp 曲线，在处于最佳Cp 曲线上时，让风机能在更大的功率范围内跟踪最佳Cp 曲线，优化了机组的功率曲线，从而获得更多的发电量。

4 转动惯量补偿

风机通过叶片所吸收的风能Ei，通过齿轮箱、传动轴等机械部件损耗Em，以及发电机等电气部件等的损耗Ee，最终得到的能量Eg 转化为电能输送到电网。公式为：Eg=Ei-Em-Ee。随着单机容量不断的加大，兆瓦级机组的叶片也在不断加大，叶轮的质量就不能忽视。实际运行中，风速的变化性非常大，但是由于叶轮较大的质量，存在较大的转动惯量I，发电机转速不可能很快的跟踪风速的变化，因此考虑叶轮转动惯量的因素，对于更精确的追踪风能是更为有利的，公式就转变为：

Eg=Ei-Em-Ee-（I*ω^2）/2，其中ω 为风轮转速。

以上能量关系体现在转矩控制上，风轮的转矩和发电机转矩之间的关系为：

Torque_generator=Torque_rotor-Torque_loss-Iω'。 其 中 ，Torque_generator 为发电机的转矩，Torque_rotor 为风轮获得的转矩，Torque_loss 为机械损耗转矩，ω'为风轮加速度。由之前公式可见，在考虑风轮转动惯量的情况下，发电机转矩和风轮转矩之间存在一定的差异，在风机控制上，是通过调节风轮转矩来实现最大风能跟踪，但是实际受控的是发电机转矩。因此，考虑到叶轮转动惯量造成的转矩误差，能够实现更精确的转矩控制以及更快速的响应风速变化，从而提高发电量。

当风速增大时，发电机转速需要响应升高以实现最大风能跟踪。在不考虑转动惯量的情况下，采用原有控制策略，需要约30s 时间风机的转速和转矩才能达到稳定。在控制中加入转动惯量补偿之后，发电机转矩先下降，以利于转速更快升高，可见20s 之后风机的转速和转矩即可以达到稳定，比原控制方案响应时间缩短10s，从而能够更快响应风速的变化，尽快进入最大风能跟踪状态，提高发电量。

5 结论

本文主要针对兆瓦级风电机组的控制策略进行优化，在对PLC 软件控制环节进行以上几点优化后，可以使得机组的涉及转速参数的响应得到了明显的提升，这也就为老旧机组的控制策略更新提供了建设性的思路。