婁堯林 ，葉杭冶 ，蔡 旭 ，吳晨曦

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電研究中心，上海 200240；2.浙江運達(dá)風(fēng)電股份有限公司 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；3.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；4.杭州電子科技大學(xué) 自動化學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引言

風(fēng)電機組在陣風(fēng)工況下，大面積脫網(wǎng)造成了較為嚴(yán)重的安全問題，給所連接電網(wǎng)帶來了沖擊。例如2005年1月，發(fā)生在丹麥境內(nèi)的一個從西海岸到東海岸的大范圍陣風(fēng)，當(dāng)時最高風(fēng)速達(dá)到20～25m／s，導(dǎo)致了近4000臺風(fēng)電機組的停機，對電網(wǎng)造成了不小的沖擊［1］。陣風(fēng)是風(fēng)速與風(fēng)向在短時間內(nèi)均發(fā)生較大變化的工況，此時風(fēng)電機組會觸發(fā)超速保護動作而脫網(wǎng)。大風(fēng)情況下的超速脫網(wǎng)不僅會增加風(fēng)電機組機械疲勞載荷，影響機組使用壽命，而且在大風(fēng)情況下的停機到再次并網(wǎng)運行，受到機組二次并網(wǎng)風(fēng)速的約束，需要一段時間，這樣也會減少風(fēng)電機組的發(fā)電量。因此研究陣風(fēng)控制策略，抑制或者減少風(fēng)電機組超速脫網(wǎng)，對于提高風(fēng)電場發(fā)電量、降低風(fēng)電機組機械載荷、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性有很大的意義。

隨著低風(fēng)速、超低風(fēng)速風(fēng)電機組的開發(fā)，機組風(fēng)輪直徑不斷增大。據(jù)統(tǒng)計，1.5 MW機組的風(fēng)輪直徑從 70 m發(fā)展到97 m，2.0 MW 機組的風(fēng)輪直徑從103 m發(fā)展到121 m［2］，機組風(fēng)輪的慣性增加了近2倍。由于風(fēng)輪的巨大慣性，通常在陣風(fēng)出現(xiàn)1～2 s后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速才發(fā)生變化，滯后系統(tǒng)容易引起飛車［3］。機組發(fā)生風(fēng)輪超速的另外一個因素是，由于槳葉氣動的非線性特點，單一控制器或單一增益的控制器已不能滿足控制性能要求，通常做法是根據(jù)槳距角［4-5］或者風(fēng)速［6］來設(shè)計增益調(diào)節(jié)的變槳控制參數(shù)，槳距角或風(fēng)速越大，則增益越小，這樣雖然避免了槳距角的調(diào)節(jié)時間過長，但在陣風(fēng)工況下，風(fēng)速急劇上升時，槳距角動作比較緩慢，風(fēng)輪慣性較大，風(fēng)輪容易發(fā)生超速。

已有文獻(xiàn)對抑制風(fēng)輪超速進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［7］簡化了傳動鏈模型及尾流模型，基于靜態(tài)的功率-風(fēng)速關(guān)系，預(yù)估出風(fēng)輪有效風(fēng)速作為控制器的前饋信號，進(jìn)行提前變槳動作，但沒有考慮偏航誤差、風(fēng)輪與塔架的動態(tài)特性；文獻(xiàn)［8］基于測量槳葉根部揮舞與擺振方向的彎矩，通過非線性觀測器，預(yù)估出有效風(fēng)速及入流角，并在此基礎(chǔ)上識別極限事件模式，來進(jìn)行快速變槳，有效降低了風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。但在目前運行的風(fēng)電機組中，在槳葉根部貼應(yīng)變片并不常見。文獻(xiàn)［9-10］基于安裝在機艙上的雷達(dá)測風(fēng)儀，檢測到風(fēng)輪前的風(fēng)速，處理后引入作為控制器的前饋信號，有效地降低了機組的載荷，同時也有效抑制了風(fēng)輪超速問題，但雷達(dá)測風(fēng)儀目前還處于試驗階段，成本較高，不適合工程批量應(yīng)用。

本文提出的陣風(fēng)控制策略，本著在陣風(fēng)工況下，變槳提前動作與快速動作的原則，結(jié)合變速變槳控制算法基本結(jié)構(gòu)，在變槳控制器PC（Pitch Controller）上增加功率槳距角發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制環(huán)PPGSL（Power Pitch Generator Speed Loop），使變槳在額定功率以前提前動作；在變槳比例項中增加非線性增益因子NLGF（NonLinear Gain Factor），使得變槳能夠快速動作，從而有效抑制在陣風(fēng)工況下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超調(diào)。通過對一個低風(fēng)速大葉輪的2.0 MW機組在額定風(fēng)速附近與額定風(fēng)速以上陣風(fēng)工況的仿真分析，及控制策略的現(xiàn)場驗證，表明該陣風(fēng)控制策略能有效抑制風(fēng)輪超速，減少由于停機帶來的發(fā)電量損失，而又不增加機組疲勞載荷。

1 風(fēng)電機組風(fēng)輪超速機理分析

1.1 風(fēng)電機組控制器基本原理

風(fēng)電機組控制器由轉(zhuǎn)矩控制器TC（Torque Controller）與PC兩部分組成，如圖1所示。圖中，ωrate為額定發(fā)電機轉(zhuǎn)速；βref為槳距角給定；βmax-min為最大與最小槳距角限制值；Prate為風(fēng)電機組額定功率；ωset為發(fā)電機設(shè)定轉(zhuǎn)速；ωg為當(dāng)前發(fā)電機轉(zhuǎn)速；Tg為比例積分 PI（Proportional Integral）控制器輸出的發(fā)電機給定轉(zhuǎn)矩；Tmax-min為最大與最小轉(zhuǎn)矩限制值。

圖1 轉(zhuǎn)矩控制與變槳控制基本原理框圖Fig.1 Schematic diagram of torque control and pitch control

TC的作用是發(fā)電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速的控制軌跡通常如圖2所示，其中AB為直線，BC為二次曲線，CE為直線，DEF為反比例曲線。圖中，ωmin為最小發(fā)電機轉(zhuǎn)速，Trate為額定發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，kopt為最優(yōu)模態(tài)增益系數(shù)。在額定風(fēng)速以下，即在圖2的E點以前，進(jìn)行最大功率點跟蹤控制，在額定風(fēng)速以上，進(jìn)行恒功率控制［11-13］。TC通常以發(fā)電機轉(zhuǎn)速差作為控制輸入、發(fā)電機給定轉(zhuǎn)矩作為輸出的PI控制器來實現(xiàn)。PI控制器輸出，即發(fā)電機給定轉(zhuǎn)矩需根據(jù)當(dāng)前發(fā)電機轉(zhuǎn)速設(shè)定上限值與下限值，從而實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲與恒功率控制。在恒功率控制階段，可以通過在基本轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，加上紋波轉(zhuǎn)矩，以抑制傳動鏈扭振，減少傳動鏈疲勞載荷［14］。

圖2 變速變槳風(fēng)電機組轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速圖Fig.2 Curve of torque vs.speed for variable speed variable pitch wind turbine

PC在額定風(fēng)速以上起作用，其目的也是調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速。PC通常設(shè)計為以發(fā)電機轉(zhuǎn)速差作為輸入［15］、槳距角作為輸出的 PI控制器［16-17］。 由于槳葉氣動的非線性特點，PC的比例系數(shù)與積分時間常數(shù)是變增益的，可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的槳距角與其對應(yīng)關(guān)系獲得［18］。

由于TC和PC都能控制轉(zhuǎn)速在同一個設(shè)定點，所以2個控制器需進(jìn)行解耦控制，滿足以下要求：當(dāng)轉(zhuǎn)矩在額定點以下時給定的槳距角要保持在最優(yōu)槳距角βfine；當(dāng)槳距角大于最優(yōu)槳距角時，給定轉(zhuǎn)矩要維持在額定轉(zhuǎn)矩。

1.2 陣風(fēng)工況下機組超速情況分析

當(dāng)機組在額定風(fēng)速以下（如低于額定風(fēng)速1m／s）運行，遭遇了陣風(fēng)，風(fēng)電機組的發(fā)電機轉(zhuǎn)速容易超過1.1倍的保護限值［19］，導(dǎo)致機組超速停機。這時為了防止在功率未達(dá)到額定功率而變槳動作導(dǎo)致功率損失，往往把TC過渡到PC的條件設(shè)計為發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速而且機組的功率達(dá)到額定值。因此在風(fēng)速迅速上升的工況下，發(fā)電機轉(zhuǎn)速急劇上升，但功率沒有達(dá)到額定值，如圖2的E點之前，變槳沒有動作。但當(dāng)功率達(dá)到額定值時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)很高，此時開始變槳，已不能及時有效地抑制發(fā)電機超速。

當(dāng)機組在額定風(fēng)速以上運行時，風(fēng)電機組運行在PC階段，一是由于風(fēng)輪的巨大慣性，從陣風(fēng)發(fā)生到發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化有1 s左右的滯后，二是由于槳葉氣動的非線性特點，在設(shè)計PC時，槳葉角度越大，控制器的增益越小，這就導(dǎo)致風(fēng)速急劇上升的情況下，槳葉回調(diào)速率比較慢，不能很好地抑制風(fēng)輪超速。

2 抑制陣風(fēng)的控制策略

針對額定風(fēng)速以下與額定風(fēng)速以上2種陣風(fēng)超速的情況，結(jié)合變速變槳控制算法基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計了陣風(fēng)控制策略：在PC上增加PPGSL，使變槳在額定風(fēng)速以下提前動作；在變槳比例項中增加NLGF，使得變槳能快速動作。

2.1 陣風(fēng)下提前變槳控制策略

在PC上增加PPGSL，如圖1虛線框所示，使槳距角給定值由兩部分組成，分別是由槳距角發(fā)電機轉(zhuǎn)速 PGSL（Pitch Generator Speed Loop）PI控制器給定和PPGSL的PI控制器給定，PC由單個PI控制器變成雙PI控制器，PPGSL的作用是當(dāng)風(fēng)速迅速上升時，槳距角可以提前動作，以阻止轉(zhuǎn)矩達(dá)到上限時的瞬間過速［14］。

PPGSL以實際計算功率與額定功率之差作為輸入、槳距角作為輸出的PI控制器，在這里實際計算功率為TC輸出的原始轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的乘積，如圖3所示。在陣風(fēng)作用下，發(fā)電機轉(zhuǎn)速快速上升，超過額定發(fā)電機轉(zhuǎn)速值，雖然給定轉(zhuǎn)矩值還沒有達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩值，但增長很快，此時功率控制環(huán)比例項的作用大于積分項，使得變槳在額定風(fēng)速下提前變槳，而積分項的作用是功率在額定值以下時，槳距角增量Δβ2輸出為負(fù)值，此時即使槳距角增量Δβ1輸出為正值，但總的槳距角增量Δβ輸出為負(fù)值，把槳距角限制在最優(yōu)槳距角。

圖3 雙PI控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of double PI controller

圖3中，Δβ1為PGSL輸出的槳距角增量；Δβ2為PPGSL 輸出的槳距角增量；a0、a1、b0、b1為 PI控制器數(shù)值離散化后的系數(shù)，a0=KITS／2＋KP，a1=KITS／2－KP，b0=KIQTS／2＋KPQ，b1=KIQTS／2－KPQ，其中 TS為采樣時間，KI和KP分別為PGSL的積分與比例系數(shù)，KIQ和KPQ分別為PPGSL的積分與比例系數(shù)。

2.2 陣風(fēng)下快速變槳控制策略

針對額定風(fēng)速以上的陣風(fēng)工況，發(fā)電機轉(zhuǎn)速已經(jīng)遠(yuǎn)大于額定發(fā)電機轉(zhuǎn)速，而且偏差還在不斷增加，但此時PC的比例增益卻隨著槳距角的增加在減少，這樣導(dǎo)致了風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增加。

針對以上情況，對變槳的比例增益，設(shè)計增加一個非線性附加項，通過加快回調(diào)槳距角，來抑制風(fēng)輪超速。設(shè)計原則是在轉(zhuǎn)速偏差較大而且偏差還在繼續(xù)增加的情況下，對PGSL的比例項乘以一個數(shù)值大于1的增益因子，達(dá)到快速變槳，盡快達(dá)到最大變槳速率回調(diào)槳距角、抑制風(fēng)輪超速的目的。增益因子的數(shù)值選取，要遵循在正常湍流風(fēng)下不起作用、在極限陣風(fēng)情況下發(fā)揮迅速作用的原則［20］。

圖4中，Δω為計算的轉(zhuǎn)速偏差表示對轉(zhuǎn)速偏差求微分運算；Lookup_table為預(yù)設(shè)的查找表，其中KP_K為比例增益因子，KP_xxdot為發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差與其變化率的乘積。

圖4 變槳比例項非線性增益因子Fig.4 NLGF added to proportional

2.3 不對稱變槳速率

針對一些特殊的陣風(fēng)工況，風(fēng)速先急劇下降，然后快速爬坡上升，這時槳距角先減小再上升，由于變槳滯后于風(fēng)速的原因，風(fēng)速已經(jīng)進(jìn)入上升階段，但槳距角還在減小，這種工況下，采用不對稱變槳速率，即開槳速率小于順槳速率，通過減小槳距角回調(diào)的行程，一定程度上也可以抑制風(fēng)輪超速。

3 仿真分析

根據(jù)風(fēng)電機組設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［19］，陣風(fēng)有風(fēng)速與風(fēng)向變化特性，本文為了分析機組的超速機理，僅考慮其風(fēng)速變化，選取風(fēng)速單邊上升的極限相干陣風(fēng)ECG（Extreme Coherent Gust）與風(fēng)速先上升再下降的極限陣風(fēng) EOG（Extreme Operating Gust），也即墨西哥草帽風(fēng)。

仿真的風(fēng)電機組為2.0 MW變速變槳雙饋機組，機組主要參數(shù)如下：風(fēng)電機組類型為水平軸，上風(fēng)向，額定功率為2000 kW，切入風(fēng)速為3 m／s，額定風(fēng)速為 9.1 m ／s，切出風(fēng)速為 20 m ／s，葉片數(shù)為 3，風(fēng)輪直徑為115 m，塔架高度為80 m，控制方式為變速變槳，齒輪箱速比為130.16，發(fā)電機類型為雙饋發(fā)電機，變槳速率為-6～6°／s，并網(wǎng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速為 1100 r／min，額定發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1800 r／min，通過Bladed風(fēng)電機組設(shè)計軟件［21］進(jìn)行雙饋機組的變槳控制特性研究和載荷計算。

3.1 陣風(fēng)下提前變槳控制策略效果驗證

本文中PPGSL的比例參數(shù)取2×10-7rad／s，積分參數(shù)取1×10-7rad／s。一般該比例參數(shù)可以由PGSL的比例系數(shù)除以TC的比例系數(shù)與額定發(fā)電機轉(zhuǎn)速的積得到，而積分時間常數(shù)通常取1～2 s。

圖5 額定風(fēng)速附近增加PPGSL的陣風(fēng)控制效果Fig.5 Enhancement of gust control effect of PPGSL around rate wind speed

仿真用的陣風(fēng)取 EOG，起始風(fēng)速為 8.8 m ／s，陣風(fēng)幅值為9.6 m，持續(xù)時間為10 s。從圖5可以看出，在使用了功率變槳環(huán)后，PC在第15 s之前，即功率未達(dá)到額定功率2000 kW就開始動作，比原先的控制器提前變槳約1 s，從而把發(fā)電機最大轉(zhuǎn)速由2020 r／min（大于額定轉(zhuǎn)速的 1.1倍）降低到 1970 r／min左右，效果明顯。由于提前變槳，從功率曲線上可以看出，稍微損失了一些功率，而塔架前后的推力沒有明顯增加，這種工況下，抑制風(fēng)電機組超速引起的停機是主要控制目的。這說明該功率輔助環(huán)不但能平滑過渡于轉(zhuǎn)矩控制與變槳環(huán)之間，而且還能有效避免風(fēng)電機組在瞬態(tài)的風(fēng)速變化過程中過轉(zhuǎn)速、過功率等可能會使機組出現(xiàn)極限載荷的情況。

3.2 陣風(fēng)下快速變槳控制策略效果驗證

本文取變槳NLGF參數(shù)時，選用3個點的查找表，如圖6所示。選取參數(shù)的原則為：在正常運行湍流風(fēng)工況下，參數(shù)不起作用或作用較弱，即參數(shù)數(shù)值在1附近；在陣風(fēng)工況下，發(fā)電機轉(zhuǎn)速較高，而且轉(zhuǎn)速有繼續(xù)增加的趨勢，則參數(shù)值取較大值，一般取2～3，具體跟槳葉翼形有一定關(guān)系。圖6中3個轉(zhuǎn)折點坐標(biāo)為：（0，1）、（30，1.35）、（100，2.5）。

圖6 變槳NLGF參數(shù)選取方法Fig.6 Setting of NLGF

仿真取ECG，起始風(fēng)速為9.3 m／s，陣風(fēng)變化幅值為11 m，持續(xù)時間為8 s。從圖7可以看出，在陣風(fēng)出現(xiàn)后，由于使用了新的控制策略，變槳動作速率比原先增加了1°／s左右，變槳系統(tǒng)迅速加速到最大變槳速率進(jìn)行變槳控制；而同一時刻的槳距角，也比原先增大了2°左右，從而把發(fā)電機最大轉(zhuǎn)速由2050 r／min（大于額定轉(zhuǎn)速的 1.1倍）降低到 1960 r／min左右，效果明顯。該策略對機組的輸出功率影響不大，但由于快速變槳，塔架前后的推力稍微有所增加，這種工況下，主要控制目的還是抑制風(fēng)電機組超速。這說明變槳比例非線性增益項能使變槳快速動作，有效減少風(fēng)電機組在瞬態(tài)的風(fēng)速變化過程中出現(xiàn)的過轉(zhuǎn)速情況。

圖7 增加NLGF的陣風(fēng)控制效果Fig.7 Enhanced gust control effect by NLGF

4 控制策略現(xiàn)場測試驗證

在測試風(fēng)電場選取了4臺風(fēng)電機組，分成2組進(jìn)行控制策略驗證，每組的2臺機組在機位上相鄰，地形上相似?？刂破骶壛丝刂栖浖?，一組對比PPGSL效果，另一組對比NLGF效果。

在現(xiàn)場測試的3個月時間里，沒有采用陣風(fēng)控制策略的機組，發(fā)生超速停機17次，而增加陣風(fēng)策略的機組，停機次數(shù)減少到4次，有效減少了停機次數(shù)。停機的原因是由于風(fēng)速變化幅度過大，而變槳動作速率是有限的。經(jīng)過現(xiàn)場測試驗證，采用陣風(fēng)控制策略后，能有效抑制機組過轉(zhuǎn)速，避免不必要的脫網(wǎng)停機。

圖8 風(fēng)電機組在陣風(fēng)工況下超速停機的錄波圖Fig.8 Shutdown of wind turbine due to over-speed in gust condition

圖9 風(fēng)電機組在陣風(fēng)工況下正常運行的錄波圖Fig.9 Normal operation of wind turbine in gust condition

圖8、圖9為控制器記錄的一次極限陣風(fēng)工況，風(fēng)速在5 s內(nèi)從10 m／s增加到17 m／s左右，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到1980 r／min，觸發(fā)軟件過轉(zhuǎn)速保護后脫網(wǎng)停機。而采用變槳NLGF的風(fēng)電機組，風(fēng)速情況基本類似，則成功地應(yīng)對了該次陣風(fēng)，風(fēng)電機組繼續(xù)運行發(fā)電。

5 結(jié)論

在分析變速變槳風(fēng)電機組傳統(tǒng)PC策略的基礎(chǔ)上，針對陣風(fēng)工況下機組容易發(fā)生風(fēng)輪超速引起停機的問題，本著在陣風(fēng)工況下變槳提前動作與快速動作的原則，結(jié)合變速變槳控制算法基本結(jié)構(gòu)，在PC上增加PPGSL，使變槳在額定風(fēng)速以下提前動作；在變槳比例項中增加NLGF，使得變槳能快速動作。

Bladed軟件仿真與現(xiàn)場測試結(jié)果表明，上述控制策略能有效地改善風(fēng)電機組在陣風(fēng)工況下的動態(tài)響應(yīng)特性，降低風(fēng)電機組機械載荷，增加發(fā)電量，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

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