大型风电机组功率优化控制研究朱谨益

大型风电机组功率优化控制研究朱谨益

朱谨益

（西昌飓源风电开发有限公司四川省西昌市615000）

摘要：随着全球化石能源日渐殆尽，环境污染问题日渐严重，可再生能源的开发及利用已经受到了各界的高度重视，风力发电作为一种无公害的发电方式，既环保又能产生巨大的电能，因此越来越多的企业更加重视风力发电。所以，本文针对大型风电机组功率优化控制进行研究。

关键词：大型风电机组；功率优化；控制研究

一、风电机组功率控制研究现状

1、最大功率追踪算法的研究

当风速在切入风速和额定风速之间时，被称为低风速区域，在这个风速区域内，风力发电机组需要调节转速或者转矩达到最大风功率点，在此点下对风能的利用率为最优。在高风速区域，风速达到额定值，但是没有达到切出风速，可通过改变桨距角来限制吸收功率。本文主要聚焦在低功率区域达到最大风能利用率。通过改善此风速区域风能利用效率，将可以大大提高风电机组的整机输出功率。由于风速的扰动和风电机组系统的特性，例如非线性、时变性等因素严重削弱了低风速区域的风能利用效率。针对上述问题，本文作了相应的解决方案。一是基于在低风速区域的最优功率曲线参考，但是为了获得高精度功率曲线需要获得大量的经验必定要消耗大量的时间和金钱。二是基于最佳叶尖速比，当叶尖速比达到风电机组的最优值时风能利用系数达到最大。如果能够精确地测量风速，理论上，输出功率将达到峰值。但是，扰动风速会导致风速的测量值偏离理想值。三是源于数学搜索技术，例如爬山算法。当运行点接近峰值，为了使输出功率稳定，它需要一个小步长。但是如果运行点远离最大功率点，它需要一个大步长来快速追寻新的最大功率点。因此，此方法的主要问题源于对不同风速、不同工作点时步长的选取。

另外，可以按照直接、间接功率控制来划分最大功率追踪方法。在直接功率控制的情况下，可划分为三种最大功率点追踪方法，一种是最佳叶尖速比法，它需要风速计，但是风轮桨叶的扰动和沿着叶片的风速变化将造成风速计测量的不准确。另外两种算法分别是功率信号反馈法和最优转矩最大功率追踪法，它们不需要风速计，但是它们需要已知特定的风电机组参数。而间接控制的方法，如爬山算法，增量导电法以及最优关系式法也基于最大功率点追踪。这些算法也不需要传感器提供数据，它们是基于已知的系统曲线，通过分析功率变化情况来定位最优功率点。这些间接控制算法中，爬山算法又被称为扰动和观察法，由于它固有的简单性和灵活性，能良好地达到提高效率的目的，因此被广泛应用。

二、风电机组最大功率追踪策略

本文主要对几种重要的方法进行探讨：

1、最佳叶尖速比法

叶尖速比控制，是以风电机组的转速和风速作为系统输入量，通过计算得到机组叶尖速比，将这个计算量与预先给定的最佳叶尖速比作差，以两者的偏差量作为控制器的输入量，经控制器计算后输出转速控制量，以此来控制发电机的转速，达到一个最优控制过程。使得风电机组在任意风速时，始终能运行在最佳叶尖速比的状态下。

在叶尖速比控制中，在通过调节风轮转速使功率达到最大值时，它需要保持叶尖速比处于最佳值。这个方法要求通过风速和转速测量值计算得到风电机组的最佳叶尖速比，这样对于系统才有能力来汲取最大功率。得到最佳转速如式（1）所示。

叶尖速比法具有高效率和快速响应的特点。但是测量风速需要精确的风速计，这将造成更高的系统成本，尤其对小规模的风能转换控制系统。

2、最佳转矩法

最佳转矩法，通过控制发电机的转矩，再根据给定风速下的风电机组的最大功率来获得最优参考转矩曲线。最大转矩通过式（2）得到。

结构框图如图（2）所示。基于最佳转矩控制的方法，图（3）给出了最优转矩曲线图，式（3）给出的最优转矩表达式作为连接到风电机组上的最大风能追踪控制器的参考转矩的计算式。最优参考转矩和实际转矩相减得到控制器的控制信号，可以最小化它们间的差值。

尽管这种方法被广泛应用在风电系统中，但是它需要已知空气密度和系统机械参数的信息，这些信息在不同系统里是不同的。此外，最优转矩曲线是通过实验测试得到的，当系统老化，这些曲线也会发生变化。这也会影响最大风能追踪的效率。

3、功率信号反馈法

功率信号反馈法，首先已知风电机组的最佳功率曲线，然后测量当前的风轮转速，并由此计算出在最佳功率曲线上该转速所对应的最大输出功率，然后以测量的实际输出功率作为系统输入反馈，与给定最大功率作差，将此偏差作为控制器的输入变量，控制器的输出量为发电机的转子电流，通过调节转子电流，间接实现对发电机转速的控制。

此方法需要已知风电机组最大功率曲线。这个功率曲线是根据它的控制原理追踪得到的。最大功率曲线通过独立系统仿真或者实验测试获得。图（4）展示了功率信号反馈法的结构框图。这个方法可以使用等式的风电机组输出功率表达式计算功率，这里将风速或者风轮转速作为控制器输入。此控制策略能够有效地减少风电机组理论最佳功率和实际输出功率间的差距。

结束语

风力发电机组是一个存在多种变量及不确定性的系统，使得获得最佳风能利用率相当困难。本文对于风电技术的发展及风能利用率进行简短的研究，以期解决部分风能率的问题，使风力发电更多得到关注和使用。更能促进我国的经济发展及环境保护。

参考文献

[1]何玉林，黄帅，苏东旭.变速风力发电机组最大风能追踪与桨距控制[J].控制工程，2012，19（3）:524-538.

[2]叶杭冶，风电机组的控制技术[M]，北京：机械工业出版社，2003.