风机控制策略优化研究项目开题报告2015-08.

项目研究背景研究内容计划已取得的研究进展合作模式下阶段研究计划22项目研究背景截止2014年底，集团公司（含新能源公司）在役风场130以上，累计安装风电机组6000余台，风电累计装机容量达到1139万千瓦。随着风电并网价格的下调，以及弃风限电日益严重，如何提高风电机组的年发电量，如何保证风电场的经济效益，成为集团公司新能源板块面临的首要问题。目前，集团下属的大部分风场普遍存在功率曲线无法达设计值的问题，即风力机制造商提供的设计功率曲线与测试所得的功率曲线的差别很大，这一问题严重影响了风电机组的年发电量和风电场的经营效益。因此，功率曲线问题已经引起集团公司领导的高度重视，必须尽快解决。3集团风场主控系统现存问题电网适应性要求越来越高，早期的控制系统难以满足相关要求；系统开放性差，业主权限较低，无法实现功能扩展（如辅助设备自动控制）或集控接入；主控系统反应较慢、效率较低、调节品质较差；随着投产时间的逐年增加，主控故障率升高，影响发电生产；随着新产品的应用普及，旧的系统即将停产，配件价格与维护费用高昂，且采购周期延长。部分主控系统控制算法落后，未能充分利用风能发电，具有较大改善潜力。4优化功率曲线的常用手段改善叶片的气动性能（设计与制造）；增加叶片长度（设计与制造）；提升传动链与电气设备的效率（设计与制造）；风电机组自用电消耗（偏航、变桨、液压站、增速箱和发电机冷却、电控柜加热及冷却）；增大额定发电功率的设定值（存在安全隐患）；优化风机微观选址，挪移机位；升级控制系统硬件，增强可靠性（设备制造）；采用更先进的控制策略，提升风能的吸收和转换效率。对于已经投运的机组，优化升级控制策略最具可行性！56控制系统主要任务尽量捕捉更多的风能，提升发电量降低风机运行中的气动载荷、疲劳载荷，减少振动保障风机自身安全与电网安全满足电能质量要求控制系统硬件可靠，减少非正常停机靠近居民区的风机需要严格控制噪声7双馈风电机组的基本控制策略ABCDEF转速转矩ABCD—双PI控制AEFD—查表法控制Z1Z2Z4Z3Z5双馈风电机组运行目标轨迹风机转速达到并网要求，恒转速运行（AB段）额定转速以下，转速跟随风速变化，最大吸收风能桨距角保持在最佳设计值（BC段）额定转速以上，额定风速以下，恒转速运行（CD段）额定风速以上，变桨控制，保持恒功率运行（D点）345678910051015x105研究内容规划双PI（比例积分）控制策略设计控制参数温度自适应修正算法开发初步构成了双馈风电机组控制策略的研究框架变桨PID（比例积分微分）控制策略设计变桨控制与转矩控制切换逻辑设计传动链加阻尼功能设计塔架加阻尼功能设计转速区间跳跃功能设计风机低噪声运行模式控制策略设计提升发电量载荷（含振动）优化降低噪声8独立变桨控制目前的研究进展1）基于Matlab的Simulink仿真平台，初步搭建了风电机组的仿真模型；2）开发了双PI转速—转矩控制策略，并与传统的查表法，通过仿真验证了双PI控制策略的优越性；3）已设计最优模态增益值自适应修正算法，进行了仿真验证；4）已设计额定风速以上的变桨PID控制策略，初步设计了转矩与变桨控制的切逻辑，进行了仿真验证。9风电机组简单模型1）风轮模型：风轮吸收功率最佳风能吸收系数32),(vRcPpr643215)(),(cecccccicip1035.008.0113i10风电机组简单模型2）传动链模型（假定传动链为刚性连接）：3)变桨模型4）发电机模型（发电机的惯性远远小于风轮）：rgggrrggrrgndtdJnJTdtdJnJTnT)()(22gggTP11demands11Simulink风电机组仿真模型12额定风速以下，双PI控制策略13双PI控制策略（与查表法仿真对比）010002000300040005000600070008000010002000时间Omegag(b)-发电机转速(r/min)0100020003000400050006000700080000500010000时间Torqueg(c)-发电机转矩(Nm)0100020003000400050006000700080000510时间wind(a)-风速(m/s)14双PI控制策略（与查表法仿真对比）0100020003000400050006000700080000.250.30.350.40.450.5时间CpCp系数Cp值大约提高0.003-0.00515双PI控制策略（与查表法仿真对比）0100020003000400050006000700080000246810121416x105时间Power功率(w)功率大约提升15kW-30kW,占额定功率1%-2%16最优模态自适应算法23goptZgKT3351),(5.0nCRKpopt17TppT000KTkPapmkg27333.101/225.10030最优模态自适应算法11.051.11.151.21.251.31.351.41.450.4730.4740.4750.4760.4770.4780.4790.480.4810.482空气密度(Kg/m3)风能利用系数Cp空气密度—风能利用系数关系曲线11.051.11.151.21.251.31.351.41.4544.24.44.64.855.25.45.65.8x105空气密度(Kg/m3)功率空气密度—发电功率关系曲线当实际空气密度比设计值偏大（小）0.2Kg/m^3时，自适应算法比定值算法发电功率高4000W—5000W（风速7m/s）。18额定风速以上变桨PID控制在高于额定风速时，设计变桨PID控制器，限制风能吸收，并配合发电机转矩控制，实现输出功率稳定在额定值的目标；192000.20.40.60.811.21.41.61.82x104-100102030时间windspeedwindspeed00.20.40.60.811.21.41.61.82x104100012001400160018002000时间omeg转速00.20.40.60.811.21.41.61.82x10402000400060008000时间tg转矩00.20.40.60.811.21.41.61.82x104010203040时间桨距角2100.20.40.60.811.21.41.61.82x104-2002040时间wind风速00.20.40.60.811.21.41.61.82x10400.20.4时间cpCp00.20.40.60.811.21.41.61.82x1040500010000时间Tg转矩00.20.40.60.811.21.41.61.82x10402040时间Pitch桨距角00.20.40.60.811.21.41.61.82x104012x106时间Power功率221.421.441.461.481.51.52x1045101520时间wind风速1.421.441.461.481.51.52x10400.20.4时间cpCp1.421.441.461.481.51.52x104400060008000时间Tg转矩1.421.441.461.481.51.52x104-4-20246时间Pitch桨距角1.421.441.461.481.51.52x1040.511.52x106时间Power功率额定风速附近，变桨控制与转矩控制频繁切换问题1.651.71.751.81.851.9x104510152025时间windspeedwindspeed1.651.71.751.81.851.9x104170018001900200021002200时间omeg转速1.651.71.751.81.851.9x10460006500700075008000时间tg转矩1.651.71.751.81.851.9x10401020时间桨距角1.51.551.61.651.71.751.81.851.91.95x1040510152025时间windspeedwindspeed1.51.551.61.651.71.751.81.851.91.95x10410001500200025003000时间omeg转速1.51.551.61.651.71.751.81.851.91.95x10402000400060008000时间tg转矩1.51.551.61.651.71.751.81.851.91.95x10401020304050时间桨距角控制器参数设计（调试）问题变桨PID控制器Kc=0.02变桨PID控制器Kc=22324仿真中使用风机的基本参数额定功率风轮半径齿轮箱变速比发电机最大转速发电机并网最低转速1.5MW41m1042000r/s1030r/s发电机转动惯量风轮转动惯量发电机最大转矩低速PI恒转速设定发电机额定转速78Kgm^25775878Kgm^210000Nm1200r/s1800r/s发电机功率调节时间常数最佳Cp设计值最佳叶尖速比设计值风速单次阶跃变化幅值风速随机变化方差0.04s0.488.13、6m/s1(m/s)^2变桨执行机构时间常数最大变桨角度最小变桨角度变桨速率最大限制转矩调节最大速率限制0.4s87dec-3dec6dec/s750Nm/s下阶段研究计划2015.08-101）PID控制器参数的设计方法需要深入研究（控制器参数显著影响风机运行的稳定性和载荷）,目前的参数只是试凑的方式，没有任何理论依据；2）优化变桨控制与转矩控制切换逻辑，减少切换频率，避免功率频繁跌落。2015.11-12塔架加阻功能设计（变桨主动阻尼+陷波滤波器）2016.01-03传动链加阻尼功能设计（转矩主动阻尼+陷波滤波器）2016.04-06转速区间跳跃功能设计2016.06-12低噪声运行模式控制策略设计2015.08-2016.12与外单位合作，在试验风机上实现所研究的内容2526讨论问题主动阻尼控制，关键是带通滤波器设计2222sssKGdtd与丹麦米塔（Mita）合作，开展风机主控系统改造、风场功率控制优化升级，逐步获取米塔主控系统的控制策略和源代码程序，学习和掌握基于Scada数据的诊断分析技能和主控系统调试经验。以此为基础，对主控策略进行二次开发和优化完善，培养独立开展控制策略优化的能力，努力提升技术服务水平，为集团公司风场的发电能力和盈利水平作出贡献。目前，已联系山东烟台公司，将驿道二期风场作为与米塔合作的首个试验风场，计划今年9月完成3台试验样机的优化升级。合作模式27合作模式与华创风能合作，共同开发风机双PI、传动链加阻、低噪声等控制策略，进一步开发风场功率智能控制、状态监测和诊断功能，实现华创风能控制系统性能的整体提升。由我方负责控制策略的可行性研究、方案设计、仿真验证，华创配合实施程序代码开发、现场调试，研究成果和收益由双方共享。通过合作，可掌握风机主控及风场控制的关键技术，逐步形成具有自有知识产权的技术体系。2829谢谢！请各位领导、专家、同事批评指正