大型風力發電機組先進控制技術探討

彭先偉 蘭杰 張瑞銀 姚森

摘要：中國風力發電行業發展迅猛，目前陸上風力發電機組功率達5MW，海上機組已突破10MW，隨著大功率、長葉片技術快速發展，對風力發電機組控制系統也帶來新的要求和挑戰，例如提升發電量，如何進一步降低載荷等，本文探討了目前行業內主流的一些先進的控制技術。

關鍵字：風力發電、控制系統、先進控制技術

1、風力發電機組控制系統概述

風力發電機組控制系統主要監測風機系統的各種狀態（風況，溫度、電網狀態、振動、轉速、功率），完成整機的綜合控制和低壓配電，完成數據的采集、輸入、輸出信號的處理，邏輯功能的判定，與變流器及變槳控制系統通訊、接收變流器及變槳控制系統的信號，與中控室監控系統通訊、傳遞實時信息。

控制系統通過控制發電機轉速、轉矩及槳矩角，使風機運行在最佳葉尖速比狀態及額定功率狀態，保證風機安全可靠經濟的運行。

控制系統控制風電機組，實現如下四方面功能：

（1）機組自動啟?？刂?/p>

當風速檢測系統在一段持續時間內測得風速平均值達到切入風速，并且系統自檢無故障時，控制系統發出釋放制動器命令，機組由待機狀態進入低風速啟動狀態。如檢測的狀態不正常，則根據級別進入其它各類停機程序。

（2）變槳、轉矩控制

當低于額定功率時，通過控制發電機轉矩實現在小于額定功率情況下的最佳葉尖速比運行。當機組功率達到額定功率時，通過變槳控制來限制機組功率在額定功率范圍內。

（3）停機保護

控制系統根據實時運行的診斷數據和預先設置的故障級別，將風電機組安全停止

（4）監測控制

控制系統實時監測機組的運行狀態和運行參數，控制機組的各部件運行，記錄運行數據，包括：

a. 風電機組狀態、風速、風向、槳距角、風輪和發電機轉速、電氣參數（頻率、電壓、電流、功率、功率因數、發電量等）和溫度、液壓壓力等，實時顯示并上傳至監控系統保存數據。

b. 狀態監測包括振動、扭纜角度、電網電壓/頻率、制動閘塊的磨損、變槳系統、變流器和偏航系統的運作情況以及機械零部件的故障和傳感器的狀態。

2、風力發電機組基本控制原理

風電機組變速運行，可分幾個階段，在極低的風速下，動態地調整發電機扭矩給定值使發電機轉速維持在最小轉速允許值。在低風速時，通過改變發電機給定轉矩，控制葉輪轉速在限定的范圍內運行，實現最大風能捕獲;在中等風速下，當達到額定葉輪轉速時，動態調節發電機轉矩給定，維持葉輪轉速在額定值;在額定風速以上，轉矩給定達到額定值，利用變槳系統，維持額定功率輸出。

風機控制器的算法控制主要指轉矩控制和變槳控制兩部分。轉矩控制器用于風能最大獲取，變槳控制器用于額定風速以上時進行功率限制，保證風機正常運行。

機組在最小發電機轉速和額定轉速之間運行時，需要跟蹤最佳Cp曲線， Cp曲線如圖2所示：

如果不考慮傳動鏈的能量損耗，可以通過設置發電機扭矩給定值 與發電機轉速 的平方成正比，使機組運行在最佳Cp曲線上。公式如下：

——空氣密度

——風輪半徑

——最優葉尖速比

——最優葉尖速比 對應的最大風能利用系數

——齒輪箱變速比

由于風輪具有較大的慣性，風輪轉速不能跟隨風速的快速變化而變化，所以要使機組時刻運行在最佳Cp上并不現實。

發電機的額定扭矩是通過傳動鏈模型中定義的電氣損耗來計算的，描述如下：

3、 大型風電機組先進性控制技術探討

1） 塔架振動控制

塔架前后振動控制用于增加塔架前后振動模態阻尼，減小塔架前后振動，從而減小塔架載荷。塔架前后振動控制的實現過程包括：塔架前后振動加速度測量值通過濾波后，比例控制器后得到輸出。輸出值為變槳補償量，施加到變槳控制的槳距角給定值。

塔架左右振動控制用于增加塔架左右振動模態阻尼，減小塔架左右振動，從而減小塔架載荷。塔架左右振動控制的實現過程包括：塔架左右振動加速度測量值經過積分，比例控制器后得到輸出，輸出的量為補償量，施加到扭矩控制的輸出值。

2） 轉矩控制與變槳控制的解耦

在大于和接近額定風速時，轉矩和變槳控制器會同時參與，使轉速達到同樣的設定值，所以解耦這兩個控制環節是非常重要的。所謂解耦也就是說，在低于額定轉速時，保證只有轉矩控制起作用，此時槳距角為最佳槳距角的限定值;在大于額定轉速時，只有變槳控制器起作用，而轉矩設定在限值上以保證額定功率輸出。

轉矩控制和變槳控制的解耦有多種實現方法。本控制技術中采用的方法為，分別對轉矩和變槳控制器的輸入偏差引入偏置值：通過偏置值的作用，轉矩控制輸出未達到額定轉矩時，變槳控制輸出被限制在最小角度值;而當變槳控制輸出大于運行角度最小值時，轉矩控制器輸出一直被限制在最大轉矩值。

3）軟切出控制（暴風控制）

目前一般機型設計切出風速為20m/s左右，根據項目實際風資源情況，可對風場超出設計切出風速的風頻進行統計，若評估該風速段的發電收益可觀（20～25m/s 風速段），那么可進行軟切出控制，即將切出風速提升為25m/s或30m/s。為保證機組的載荷在設計包絡范圍內，在超出設計切出風速的風速段采用降轉速和功率運行。

如下圖所示，某風電場應用軟切出策略的實際功率散點圖，通過軟切出的功率曲線和現場可研性的風頻分布。若20～25m/s 風速資源較好，評估年發電量約能提升1%。

4） 激光雷達前饋控制

通過激光測風雷達，提前檢測風輪前方來流風速，提前預知風況信息，當發生陣風時，提前收槳，避免極限載荷和極端故障停機。

可以從圖4中看出，在10s內風速快速增加，通過快速收槳，保證機組平穩運行。

圖5說明，加入激光雷達前饋控制后，當發生極限陣風時，轉速、槳角、轉矩控制更加平穩。

5） 偏航誤差控制

由于風速風向測量設備實際運行過程中，存在測量誤差，某些風力發電機組長期存在一定的偏航誤差，影響機組發電量。激光雷達測風設備可以定期校正傳統風向標的測量誤差。

將一定時期的激光雷達測風數據記錄在儲存設備中，調取數據統計靜態偏差值，自動校正傳統風向標的風向偏差。

定期通過激光雷達校正傳統風向標的偏差，從圖6可以看出傳統風向標存在5.146°的固定偏差，通過修正傳統風向標的偏移參數，可提高機組對風效率，從而提升風力發電機組的發電量。

4、 總結

大功率、長葉片仍然會是未來大型風力發電機組的主流發展方向，另外風電平價并網也是未來發展趨勢，通過先進控制技術來降低載荷、提升發電量、降低成本至關重要，是風電整機廠商核心競爭力;本文介紹了風電機組的控制基本原理，并對目前主流的關于降載荷、提升發電量先進性控制技術進行的簡單探討。

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作者介紹：

彭先偉（1984.12-）;男;湖北隨州;漢族;碩士研究生;工程師;風機發電機組控制系統設計;東方電氣風電有限公司。