风电机组控制与优化运行第3章 风力发电系统的转速和功率控制

风电机组控制与优化运行长沙理工大学能源与动力工程学院第3章风力发电机组的转速、转矩和功率控制第3章风力发电机组的转速、转矩和功率控制风力发电机组转速、转矩和功率控制基本原理模糊控制基础风力发电机组模糊控制系统风力发电机组的其它控制方法§3.1风力发电机组转速、转矩和功率控制基本原理在大型风电机组控制系统中，其转速、转矩和功率控制系统最为重要，也最为复杂。因为该系统几乎涉及到风力发电系统中的所有重要部件如风力机、传动系统、发电机、变流器、桨距伺服系统等等。§3.1.1风力发电机组的调节方式风力发电机组的调节方式是围绕着如何控制风力机接近风速模型的理想功率曲线运行。在不同的运行区域，其调节手段不同：定速/变速和定桨/变桨都是常见的方法。故调节方式可分成四类：定速定桨距调节定速变桨距调节变速定桨距调节变速变桨距调节§3.1.1风力发电机组的调节方式定速定桨距调节方式的主要特点是：桨叶和轮毂的连接是固定的，其桨距角固定不变；将FSIG直接接到电网上，发电机的转速由电网频率确定，风能转换系统在固定速度下运行；控制简单，成本低；在额定风速以下运行区域内，由于电机转速恒定，不能达到功率的最大获取，捕获能力低于理想的功率曲线；在额定风速以上运行区域内，其功率调节能力弱，功率不稳定，电压波动也大，电能质量不好。鉴于这些缺点，该类型的风力发电机正逐渐淘汰，取而代之的是更先进调节方式的风力发电机。一、定速定桨距调节方式§3.1.1风力发电机组的调节方式安装在轮毂上的叶片，可以通过桨距伺服系统改变其桨距角的大小。其优点是桨叶受力较小，桨叶可以做的比较轻巧。当风速在额定风速以上时，通过改变桨距角的控制，从而改变作用在风轮上的气动扭矩，使功率保持在恒定值。当风速在额定风速以下时，恒定转速运行使得转换效率不能优化，即一种非优化的稳态能量获取，且结构比较复杂，故障率较高，发电品质较差。二、定速变桨距调节方式§3.1.1风力发电机组的调节方式发电机的转速可以随风速而变化，在风力发电系统中应用较普遍，特别适合低风速下运行。在风速低于额定风速时体现在能量的捕获能力提高，机械振荡减小，电能的质量也有所改善。在风速高于额定风速时，采用变速被动失速控制方式和变速辅助失速控制两种基本操作方式，可能会引起瞬间载荷增大和电压起伏，发电品质还有待提高。三、变速定桨距调节方式§3.1.1风力发电机组的调节方式变速变桨距控制结合了变速定桨控制和定速变桨距控制的优点，风电机组的发电品质相对采用其它几种调节方式的风电机组发电品质更高、更好，是目前国际流行的控制方式。当风速低于额定风速时，以变速模式运行，风能捕获效率高于采用失速控制的风电机组，具有优化的气动特性；当风速高于额定风速时，采用变桨距调节，通过桨距角的改变，改变作用在风轮上的气动转矩，使功率保持在恒定值。四、变速变桨距调节方式§3.1.1风力发电机组的调节方式变速变桨距风能转换系统的主要特点是：①与定桨距相比，具有在额定风速以上输出功率平稳。②在额定点具有较高的功率系数。③桨距角是由发电机输出功率的反馈信号跟踪额定功率来确定的，不受气流密度的影响。④在额定风速以下时，桨叶节距可以调整到合适的角度，使风轮具有更大的起动力矩；当需要脱离电网时，可以调整叶片桨距角使功率逐渐减小到零，减小了发电机与电网断开时对电网的冲击。⑤低风速时能根据风速变化，调整发电机运行工作点，保持最佳叶尖速比以捕获最大风能。⑥高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳。四、变速变桨距调节方式§3.1.2风力发电机组的运行区域vinvNvout风速vPN最优功率P0ABDECv1转速ω桨距角βωNωmin90°0°⑴区域A：vvin风速低于切入风速，风能太小，不能带动风机转动（或虽能带动风机旋转，但发电量太少，不足以补偿风机运行成本），故不能发电。⑵区域B：vinvv1桨距角保持不变，控制发电机转速，使转速跟随风速而变化，保持恒定叶尖速比，以寻求最大风能捕获。该区域也称为恒CPmax工作区或最大风能捕获区。§3.1.2风力发电机组的运行区域vinvNvout风速vPN最优功率P0ABDECv1转速ω桨距角βωNωmin90°0°⑶区域C：v1vvN风速达到v1时，风力机转速已升至额定转速，受旋转部件机械强度的限制，转速须保持额定转速不变，故该区域也称为转速恒定区。叶尖速比随风速增加而减小，但功率仍随着风速的提高而增大。⑷区域D：vNvvout达到功率极限后，机组进入功率恒定区。随风速的增大，叶尖速比减少的速度比在转速恒定区更快，风力发电机组在更小的CP值下作恒功率运行。§3.1.2风力发电机组的运行区域vinvNvout风速vPN最优功率P0ABDECv1转速ω桨距角βωNωmin90°0°⑸区域E：vvout风速高于切出风速，调整节距角至90°，叶片不再捕获风能，转速也下降到0。为避免强风损坏风力机，风力机将被锁定并进入停机模式。§3.1.3风力发电机组在各运行区域的控制策略一、最大风能捕获区控制策略00.511.522.533.544.5500.20.40.60.811.21.41.61.82Power(MW)RotorSpeed(rad/s)Power(MW)v=4v=6v=8v=10v=12MaxPower§3.1.3风力发电机组在各运行区域的控制策略不同风速下风力机捕获的功率(转矩)-转速特性曲线MATLAB仿真代码：colors=['c','b','g','m','r'];R=35;B=0;i=1;Pmax=[];ind=[];Wt=[0:0.4:50]*(2*pi/60);forv=4:2:12lambda=Wt*R/v;lambda1=1./(1./(lambda+0.08*B)-0.035./(B.^3+1));Cp=0.5176*(116./lambda1-0.4*B-5).*exp(-21./lambda1)+0.0068*lambda;figure(5)P=1/2*1.225*pi*R^2*v.^3*Cp;[Pmax(i)ind(i)]=max(P);plot(Wt,P/1e6,colors(i),'LineWidth',2);title('Power(MW)')legend('v=4','v=6','v=8','v=10','v=12','MaxPower','Location','NorthWest')axis([0,5,0,2])ylabel('Power(MW)')xlabel('RotorSpeed(rad/s)‘)§3.1.3风力发电机组在各运行区域的控制策略不同风速下风力机捕获的功率(转矩)-转速特性曲线MATLAB仿真代码(续)：holdongridonfigure(6)T=P./(Wt);plot(Wt,T,colors(i),'LineWidth',2);title('Torque(Nm)')legend('v=4','v=6','v=8','v=10','v=12','Location','NorthWest')axis([0,5,0,80*10^4])ylabel('Torque(N*m)')xlabel('RotorSpeed(rad/s)')gridonholdoni=i+1;endfigure(5)holdonplot((ind+1)/25,Pmax/1e6,'k-o','LineWidth',2)legend('v=4','v=6','v=8','v=10','v=12','MaxPower','Location','NorthWest')在同一风速下，不同的转速会使风力机输出不同的功率。有一个最佳的转速，风力机运行于最佳转速时，就会达到最佳叶尖速比，从而捕获最大的风能，输出最大功率。一、最大风能捕获区控制策略00.511.522.533.544.5500.20.40.60.811.21.41.61.82Power(MW)RotorSpeed(rad/s)Power(MW)v=4v=6v=8v=10v=12MaxPower连接不同风速下与最佳转速对应的最大功率点（MaximumPowerPoint,MPP）就可形成一条最佳功率曲线（即图中的MaxPower曲线）。最大功率、最大转矩与发电机转速有如下关系：一、最大风能捕获区控制策略00.511.522.533.544.5500.20.40.60.811.21.41.61.82Power(MW)RotorSpeed(rad/s)Power(MW)v=4v=6v=8v=10v=12MaxPower式中，ωg为发电机旋转角速度；R为叶轮半径；n为齿轮箱传动比；Kopt为转矩的最佳控制系数，。3333max52goptoptgPoptKnCRP2332max52goptoptgPoptKnCRT33max521nCRKoptPopt风力机的机械功率、转矩和转速之间的关系，可用于确定最佳转速或转矩，并可据此实现发电机的控制和最大功率运行。为了实现最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking,MPPT）,人们研究了多种有效的控制方案，如：最佳叶尖速比法、功率信号反馈法、爬山搜索法、最大功率小信号扰动法、三点比较法、实时追踪最大风能法等等。这里主要介绍两种：最佳叶尖速比法和功率信号反馈法。一、最大风能捕获区控制策略⑴最佳叶尖速比法控制器风能转换系统R除法器÷功率转速ω风速vλoptλ-最佳叶尖速比法要求先找到叶尖速比的最佳值。通过检测装置测量得到风速和发电机转速，经计算得到实际叶尖速比，如果其值不等于最佳值，则通过发电机子控制系统产生用于变流器的控制信号，改变发电机功率进而调整发电机转速，使实际的叶尖速比等于最佳叶尖速比，从而获得最大风能。是一种直接转速控制方法，控制目标明确、原理简单。但由于风轮叶片迎风扫掠面积很大，各点风速均不同，使得风场中风速的准确测量较为困难，存在很多实际技术问题，而风速检测的误差更会降低最大风能追踪的效果。另外，不同的风力机系统其最佳叶尖速比值也是不同的，控制算法不可通用。因此该控制方法在实际工程上很少采用。一、最大风能捕获区控制策略⑴最佳叶尖速比法这种控制方式不以转速控制为目标，而是以风力机运行于最佳的功率曲线为直接的目标。在整个运行过程中，不断检测风电机组的转速，由此计算得到该转速下的最佳功率Popt，以Popt作为风电机组控制系统的有功功率指令，控制的最终结果是获得了最佳转速和最佳叶尖速比。一、最大风能捕获区控制策略⑵功率信号反馈法控制器风能转换系统最大功率曲线Popt电磁功率反馈转速ω风速PoptPem-一、最大风能捕获区控制策略⑵功率信号反馈法ABCPAPBPCPoptPmechωωAωC0v2v3v1DE一、最大风能捕获区控制策略⑵功率信号反馈法设在某一时刻的风速为v2，风力机运行于该风速下的最佳功率点A，此时风力机所获得的机械功率及发电机的电磁功率均为PA（不考虑阻力矩），风力机转速为ωA。当风速由v2突然增加到v3时，由于风电机组的转动惯量很大，故机组转速仍会暂时维持为ωA不突变，但风力机获得的机械功率已由PA突变到PB，但发动机的电磁功率仍为PA，这个功率差会使机组转速上升。在转速上升的过程中，风力机输出的机械功率沿着v3曲线由B点向C点移动，而发电机的电磁功率则沿着Popt曲线由A点向C点移动。随着转速的上升，功率差值越来越小，到达C点后功率差为0，二者重新达到平衡，风电机组稳定运行于C点（风速v3下的最佳功率点），该工作点所对应的转速为ωC，功率为PC。§3.1.3风力发电机组在各运行区域的控制策略二、恒转速区控制策略如果一直保持CPmax(或λopt)恒定，随着风速的增加，风电机组即使没有达到额定功率，但其转速最终将达到其转速极限。为了保证风电机组的安全运行，不再进行最大风能捕获控制，而是进入恒转速控制方式。在这个区域，随着风速的增大，风电机组的转速保持恒定，风力机在较