2022年风力发电技术系列讲座 .pdf
风力发电技术系列讲座 (3) 风力发电控制技术的发展现状王宏华( 河海大学自动化工程系, 南京 ,210098) 摘要 ：本文阐述了风力发电控制系统的基本结构和工作原理，综述了风力发电控制技术的发展现状及发展趋势。关键词： 风力发电，系统，控制The Series of Lectures on Wind Power Technology(Part 3) Development of Control Technologiesfor Wind PowerSystem Wang Honghua (Department of Automation Engineering ,HohaiUniversity ,Nanjing,210098,China) Abstract:This paper describes the principle and structure of wind power control system, and presents the latest development trend and research progress of control technologiesforwind power system . Key words: Wind power,System， Control 0.引言众所周知，风能是一种能量密度低、稳定性差的能源，保证运行的可靠性和安全性、提高风力发电的质量和效率、延长风电机组的寿命是风力发电控制系统的基本目标。图 1 为基于 DCS技术的大型风电机组控制系统总体结构框图1-5。图 1 风电机组控制系统总体结构主控制器监测电力参数、风力参数、机组状态参数，起/停其他功能模块，实时监控风电系统工作状态。人机界面主要实现运行操作、状态显示、故障记录、趋势曲线、绘制报表、用户管理等功能。软切入控制的主要功能是限制发电机并网和大小发电机切换时的冲击电流、平稳风力发电机并网过渡过程。偏航控制系统主要包括自动偏航、手动偏航、 90o侧风、自动解缆等功能2。大型风电机组均采用主动对风控制，当风轮主轴方向与风向标指向偏离超出允许偏差范围且持续一定时间后，偏航系统控制伺服（偏航）电动机运转使风轮主轴方向跟踪主风向。液压系统执行风力机的变桨距和制动操作，实现风电机组的功率控制、转速控制及开停机控制。制动系统是风电机组安全保障的重要环节，在定桨距机组中，通过叶尖挠流器执行气动刹车；而在变桨距机组中，通过控制变桨距机构也可控制机械刹车机构。另外，风电机组的控制设备还包含安全保护系统，其是传感器和工控机的集成，包括超速保护、电网失电保护、电气保护（过电压及短路保护、防雷击保护等）、机组振精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 6 页作者简介： 王宏华（ 1963），男，江苏泰州人，博士。现为河海大学教授、博士生导师。研究方向为新型交直流电力传动等。动保护、发电机过热保护等，主要执行停机和紧急停机程序，其具有最高优先权，可进入至少两套刹车系统。以上概述了风电机组控制系统的一般功能，为了更好地实现提高风力发电质量、效率的目标，应对风电机组的稳态运行工作点进行精确控制，其控制技术发展的3 个主要阶段为：从起源于丹麦的定桨距恒速恒频控制到 20 世纪 90 年代发展起来的变桨距恒速恒频控制；再到目前已广泛应用的变桨距变速恒频控制。本文总结了这3 个发展阶段的运行控制技术，综述了风力发电控制技术的发展趋势。1.定桨距失速控制定桨距风力机的桨叶固定在轮毂上，桨叶的迎风角度不随风速的变化而改变，即叶片桨距角不可调。当风速高于额定风速（一般为1216m/s）时，其依赖于叶片独特的翼形结构所具备的自动失速性能而将功率自动限制在额定值附近。20 世纪 80 年代叶尖挠流器在定桨距风电机组得到成功应用，使桨叶自身具备了制动能力，有效解决了突甩负载情况下的安全停机问题。为了使机组在低风速段运行时具有较高效率，定桨距风电机组采用双速发电机、双绕组双速感应发电机等以实现不连续变速功能2。对联网运行的定桨距风电机组，晶闸管恒流软切入装置是其控制系统的重要部分。定桨距失速控制无功率反馈系统和变桨距机构，结构简单，安全系数较高，不需要复杂的控制程序，但其性能受叶片失速性能限制，起动风速较高，在风速超过额定值时发电功率下降。为了提高功率调节性能，近年来又研制出主动失速型风电机组1-2。2.变桨距控制变桨距风轮的桨叶与轮毂不象定桨距那样采用刚性联接，其叶片的桨距角可随风速变化进行调节，以调节风电机组的功率。在额定功率以下时，为最大限度获得风能，控制器将桨距角调至0o附近并固定，发电机的功率根据叶片的气动性能随风速变化而变化；当风速过高，高于额定功率时，增大桨距角使风轮迎风面积减小，从而将发电机功率保持在额定值。变桨距调节具有额定点风能利用系数较高、起/ 制动性能好、输出功率平稳等优点，故成为大型风电机组的最佳选择。但随着并网机组向大型化方向发展，桨叶转动惯量巨大（大型风机的单个叶片重达数吨，有的风轮直径已达一百多M ），仅采用桨距角控制难以适应风速的快速变化。为了有效控制快速变化的风速引起的功率波动 ， 近 年 来 出 现 了 采 用 转 子 电 流 控 制（RCC ）技术以调整绕线型异步发电机转差率的新型变桨距控制系统1，如图 2 所示。图 2 带转差率调节的变桨距控制系统图2 中，转速控制器的输出为桨距给定，桨距控制器为非线性比例控制器，其输出控制液压伺服系统，使桨距角变化。其中，转速控制器A在发电机并网前工作，即在机组进入待机状态或从待机状态重新起动时投入工作，通过调节桨距角，使发电机以一定的加速度升速，当发电机在同步转速（50Hz 时 1500r/min ）10r/min （可调）内持续1s（可调）时发电机将切入电网，并切换为转速控制器B和功率控制器工作。转速控制系统B的输入为速度偏差和风速，在达到额定值前，速度给定随功率给定按比例增加。若风速和功率输出一直低于额定，将根据风速输出最佳的桨距给定，以优化叶尖速比；若风速超出额定，通过改变桨距角使发电机转速跟踪给定，将输出功率稳精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页定在额定。图2 中，风速信号是经低通滤波器后参与桨距控制的，即桨距控制对瞬变风速并不响应。在瞬变风速下维持输出功率稳定是通过功率控制器进行的，其通过绕线型异步发电机转子电流控制环实现（参见本系列讲座（ 2）中的图1“绕线转子电流受控的异步风力发电机”结构），即根据功率控制器输出的电流给定值，通过电力电子装置调整转子回路等效电阻（其动作时间在毫秒级以下），从而迅速调节发电机转差率，即迅速改变风轮转速，吸收瞬变风速引起的功率波动，实现额定风速以上且风速频繁变化时的发电机输出额定功率, 减少变距机构的动作频率和幅度。3.变速控制目前，变桨距变速恒频风电机组已成为大型并网风电机组的主流机型，其基本控制策略为：低于额定风速时，控制发电机转速以跟踪风速变化，使风轮叶尖速比保持在最佳值，实现最大风能跟踪（MPPT ）控制；高于额定风速时，调节桨距以限制风力机吸收的功率不超过极限值，并在风速大幅度变化时使发电机保持输出功率恒定。31 额定风速以下实现MPPT 的转速控制图 3 为桨距角不变，不同风速Vi下风力机的输出功率特性。图中，i是对应Vi使风力机具有最佳叶尖速比opt的风轮角速度，将Vi、i对应的各风速下最大输出功率点相连即为最大功率曲线Popt。图 3 风力机功率特性在 Popt曲线上运行的风力机将输出最大功率 Popt，即3ioptKP式中，2/)/(max3poptCRSK， 为空气密度， S 为风轮扫风面积，R 为风轮半径， opt为最佳叶尖速比，Cpmax为最大风能利用系数。目前常用的最大风能跟踪控制方法有如下 3 种基本方法。3.1.1风速跟踪控制实时测量风速，然后依据风电机组的功率特性，推算出使风轮叶尖速比保持在最佳值的发电机所需最佳转速nopt，控制变速发电机的转速使其跟踪最佳转速nopt，从而实现 MPPT 。虽然这种方法的原理简单明了，但必须已知风力机特性，且要求测量的风速与作用在桨叶上的风速有良好的关联性。然而，由于风速在时间、空间上的随机变化，很难精确测得与到达风轮上的风速一致的结果，这限制了该方法的工程应用。为了克服风速跟踪控制方法的缺点，出现了多种基于风速预测方法的改进控制系统1。3.1.2 功率反馈控制实时测量发电机转速（则可得到风轮角速度 ），依据风轮角速度和风力机最大功率曲线Popt，实时计算发电机的输出有功功率指令P*，控制发电机的输出有功功率使其跟踪指令P*，即可实现MPPT 。以上实现MPPT的过程可用图2 说明10：设原先在风速 V5下机组稳定运行在Popt曲线的 E 点，此时风力机输出功率和发电机输入功率均为PE，两者平衡，风轮以最佳角速度5稳定运行；若风速由V5突升至V4，风力机的工作点将由E 跳动至 F，对应的输出功率跃变至 PF，而发电机却因惯性和控制滞后仍暂时工作在E 点，因PFPE，发电机将升速；在升速过程中，风轮沿其固有的功率特性FD曲线增速，而采用功率反馈控制的发电机则沿最大功率曲线增速，两者到达D点时，重新建立起功率平衡，风轮以与风速V4相对应最佳角速度4稳定运行。该方法不需要测量风速，但需要已知风精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页力机最大功率曲线和发电机损耗特性，以获得有功功率指令P*。研究表明10：即使在P*的计算不很准确时，也可使发电系统运行在“次最佳状态”，获得较理想的最大风能跟踪控制效果，故该方法颇具实用价值。3.1.3 最大功率搜索控制其依据是在某一固定风速下，风力机的功率特性P() 为凸函数。在有的文献中，该方法也称为爬山搜索算法9、功率扰动控制12，其通过施加人为的功率扰动进行离散迭代控制，使风轮机的工作点“一步一步”地沿其功率曲线移动到最大值附近，且保持一定的波动。以人为施加转速扰动引起功率变化从而自动搜索发电机最佳转速nopt实现MPPT为例说明如下9：计算当前风力机功率P(k), 并和上一控制周期的风力机功率 P(k-1) 比较，若 P(k)=P(k)-P(k-1)0,则保持发电机转速指令的扰动值 n 的符号不变，继续进行下一周期的转速扰动；否则，若 P(k)=P(k)-P(k-1)0,则应将转速指令的扰动值 n 的符号反号，继续进行下一周期的转速扰动。因当前的n 与上周期的转速指令相加即为新的转速指令，故若风机功率渐增，则将保持转速指令值渐增（或渐减）；若风机功率减小，则应改变转速指令变化的方向。该方法的优点是无需测风装置，对风力机功率特性的了解要求不高，系统有自动跟随与自适应能力；缺点是即使风速稳定，发电机稳态功率输出仍有波动，控制周期不能太小，系统调节时间较长12。32 额定风速以上的功率控制1在风速超过额定风速时，变速风电机组的控制系统通过调节风力机风能利用系数，实现保持发电机输出功率恒定、使机组传动系统具有良好柔性的基本目标。目前，有两种改变风力机风能利用系数的方法。其一，控制发电机电磁制动转距，以调节发电机转速，进而调整叶尖速比；其二，调节桨距角以改变风轮迎风面积，从而调节空气动力转矩。应该指出，理想的控制方案是采用转速与桨距双重调节。4.风电机组控制技术的发展趋势4 1风力发电系统智能控制风电机组是一类复杂的非线性系统，其精确的数学模型难以建立，采用基于数学模型的传统控制难以使系统在全部运行状态下获得满意的动、静态性能。随着不依赖于数学模型的智能控制技术的发展，模糊控制和人工神经网络在风电机组控制领域应用方兴未艾，并成为研究热点之一16。文献 13 在桨距控制器设计中引入2 维模糊控制算法，仿真结果验证了在风速高于额定风速且频繁变化时，基于模糊控制算法的变桨距控制器能够随风速变化不断调节桨距角，使风力发电机输出功率稳定在额定值附近。文献 14 对基于模糊控制的双馈风力发电空载并网技术进行了研究，其在有刷双馈异步发电机转子可逆变流装置的控制中，采用了参数自整定模糊PI 控制器，即利用模糊控制规则对PI 算法的比例参数和积分参数在线调整，仿真表明该控制算法可有效提高系统的鲁棒性。文献15 则在基于爬山搜索算法实现小型风电系统MPPT 的控制系统中引入模糊/PI D 双模控制，大范围搜索用模糊控制，小范围搜索则用PID，仿真表明：模糊 /PI D 双模控制能使系统平稳跟踪最大功率点，发电机稳态输出功率波动较小。人工神经网络具有映射任意非线性输入- 输出关系的能力。可基于BP网建立桨距角全范围变化时的风能利用系数模型；也可建立以风速、风轮角速度、功率为输入，桨距角指令值为输出的BP网，构成基于BP网的桨距控制器1，实现桨距控制的目标。文献16 选择风力机转速和风速作为直接样本数据，计算得到的风力机输出功功率为间接样本数据，经离线训练，建立了以风力机转速和功率为输入、风速为输出的BP 网风速预测模型，并将该风速预测模型应用于采用风速 跟 踪控 制方 法 的直 驱式 风 力发 电系 统MPPT 控制，仿真结果表明基于BP 网的风速预测模型正确、可行。文献17 在变速恒频双馈异步发电机定子有功功率控制中引入单神经元控制算法，实现MPPT，仿真结果验证了控制算法的有效性。目前，风电机组智能控制研究多数停留精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页在仿真阶段，尚缺乏实际工程应用。另一方面，模糊控制和人工神经网络具有互补性，两者相结合的神经网络模糊控制在风电机组控制领域中的应用研究尚少；基于数据驱动的机器学习方法与风能转换系统控制相结合的研究也有待深入。42 风力发电系统低电压穿越技术518-19 随着风电机组装机容量不断增大, 风力发电系统对现存电网稳定性的影响成为倍受关注的课题, 其中热点之一是研究电网电压瞬间跌落情况下风电机组对电力系统的影响。目前 ,世界各国纷纷制定了针对大型风电机组并网运行的标准,要求在电网发生故障如电压瞬间跌落时,风电机组仍能保持并网,且能向电网提供一定的无功功率支持,以提高电力系统的稳定性,这就要求风电机组具有一定的低电压穿越(LVRT) 运行能力。双馈异步发电机(DFIG）风电机组在电网电压跌落时将导致DFIG 转子侧过电压、过电流。转子电路中的Crowbar( 保护 ) 电路是使 DFIG 风电机组具备LVRT 能力的关键 ,其在电网电压故障时可有效对变流器进行保护, 且可向电网发出无功功率,使电网电压迅速恢复正常。但转子Crowbar 电路无法兼顾转子侧变流器及齿轮传动等机械部件实现全面保护 , 且不同故障类型及不同故障程度下的电路参数难以统一。目前,DFIG 风电机组的 LVRT 运行研究仍是难点,主要集中于保护电路拓扑结构和变流器控制算法改进研究。对采用多级永磁同步发电机的直驱型变速恒频风力发电系统而言,因为其与电网通过背靠背功率变换器隔离,且无功功率控制灵活 ,故在LVRT 运行方面具有优势。在直流侧增加保护电路、在直流侧和电网间增加辅助变流器等保护措施可增强直驱型风电机组 LVRT 运行能力。大容量并网型风电机组LVRT 运行控制策略是有待深入研究的热点课题。但电网故障具有不可控性,故为了测试风电机组LVRT运行性能 ,模拟电网电压跌落特性的“电压跌落发生器 (VSG)”研发也成为一个热点。参考文献1 叶杭冶 .风力发电机组的控制技术. 北京：机械工业出版社 ,第 2 版,2008 2 姚兴佳 ,宋俊 .风力发电机组原理与应用. 北京：机械工业出版社 ,第 1 版,2009 3 宋海辉 .风力发电技术及工程.北京：中国水利水电出版社 ,第 1 版,2009 4 牛山泉编著 ,刘薇 ,李岩译 .风能技术 . 北京：科学出版社 , 第 1 版,2009 5 王志新，张华强.风力发电及其控制技术新进展.低压电器， No.19：1-7，2009 6 徐大平，张新房，柳亦兵.风力发电控制问题综述 .中国电力， No.4：70-74，2005 7 顾鑫，惠晶.风力发电机组控制系统的研究分析.华东电力， No.2：64-68，2007 8 夏毅琴 .风力发电机组及其控制系统.电气技术， No.8：62-64，2009 9 闫永勤，乔明，林飞，等. 变速恒频风力发电系统最大风能跟踪控制的研究.电气技术，No.11：14-17，2006 10刘其辉，贺益康，赵仁德. 变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制.电力系统自动化，No.20：62-67， 2003 11凌禹，张同庄，邱雪峰.直驱式风力发电系统最 大 风 能 追 踪 策 略 研 究 . 电 力 电 子 技 术 ，No.7：1-2，2007 12朱学忠，张琦雪，刘迪吉.开关磁阻风力发电机系统的控制方案研究.数据采集与处理，No.1：81-85，2001 13张玉华，李振凯.基于模糊控制的风力发电系统变桨距控制器的设计.现代电力， No.6：58-61，2007 14康忠健，陈天立，王升花，等.基于模糊控制的双馈风力发电空载并网技术研究.电气传动， No.1：47-50，2010 15夏晓敏，王坤琳，吴必军.小型风电系统MPPT模糊 /PID控制仿真研究 .能源工程， No.1：26-31，2010 16任艳锋，毛开富，包广清.基于神经网络的直驱式风力发电最大风能控制研究.电气自动化， No.6：42-45，2009 17杨勇，阮毅，任志斌，等.基于单神经元控制器的 2.3kW 变速恒频风力发电控制系统研究.微电机， No.9：60-64，2009 18李建林 ,许洪华 .风力发电系统低电压运行技术.精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页北京：机械工业出版社,第 1版,2009 19李建林 ,许洪华 .风力发电中的电力电子变流技术. 北京：机械工业出版社,第 1 版,2008 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页
