风电机组的独立变桨距优化控制系统综述
2017-08-30长春工程学院姜志宏王伟璐詹长明王道龙
长春工程学院 孙 闯 姜志宏 王伟璐 詹长明 王道龙
风电机组的独立变桨距优化控制系统综述
长春工程学院 孙 闯 姜志宏 王伟璐 詹长明 王道龙
本文对风电机组的独立变桨距控制目前的研究及应用情况进行了概述,分析了独立变桨距控制的依据、基本工作原理、减少载荷和减缓电网电压波动的独立变桨距控制策略。最后对独立变桨距控制方法和发展前景提出了展望。
独立变桨距控制;桨距角;不平衡载荷;功率波动
0 引言
随着装机容量的飞速发展,风电机组逐渐大型化。变桨距成为市场上大中型风力机桨叶控制的主流运转形式。变桨距控制分统一变桨距和独立变桨距。前者是通过执行机构对风力机的三个桨叶实施同步调节控制,后者是每个桨叶都有一套独立的变桨距驱动系统。
1 目前独立变桨控制技术研究及应用情况
独立变桨控制研究是本世纪初开始的,经过发展,现在有许多大学、科研院所、公司参与该方面课题的研究,并取得了相应研究成果。目前,国际上独立变桨控制的研究大部分处在仿真研究阶段,少数进入半实物仿真阶段,个别进入现场测试阶段。实践证明独立变桨控制技术可减小风电机组的载荷,稳定风机输出电压。
2 独立变桨控制基本理论
2.1 独立变桨控制依据
图1为变桨距风力发电机特性曲线。当风速在额定风速以上时,调节桨距角使输出功率稳定在额定值。
图1 变桨距风力发电机特性曲线
图2 独立变桨控制基本原理框图
2.2 独立变桨控制基本原理
风电机组变速变桨控制目的是:在风速低于额定风速时,通过变速控制实现最大能量捕获;高于额定风速时,通过变桨控制使发电机输出功率为额定值。
图2为独立变桨控制工作原理框图。其中集中变桨控制环实现变速变桨控制功能,输出三个桨叶期望桨距角的相同部分;独立变桨控制环,可减小风轮不均衡载荷,减少转子的倾斜和偏航力矩,分别输出三个桨叶不同的桨距角期望补偿值。
3 独立变桨控制策略
3.1 减少风力涡轮机载荷的独立变桨控制策略
风力涡轮机系统载荷由基波和高次谐波组成,采用PR控制方法[1],提出了比例积分谐振独立变桨控制(PI-R IPC)策略[2]。
PI-R IPC方案、控制器配置及控制回路框图如图3-5所示。
图3 减轻载荷的PI-R IPC方案
图4 PI-R IPC控制器配置
图5 PI-R IPC控制回路框图
文献[3]将PI-R IPC控制策略与CPC、PI IPC策略进行了对比仿真研究,结果证明,PI-R IPC策略具有显著减少风力涡轮机平衡和非平衡的载荷作用。文献[4]对此PI- IPC策略做了改进,采取自适应PI- IPC策略。
图6 受3P影响的空气动力学力矩
3.2 减缓风力涡轮机功率波动的独立变桨控制策略
考虑风切变和塔阴影的影响时,风轮每转一转空气动力学力矩将下降三次[5],如图6所示。当空气动力学力矩被控制在一个较小范围时,空气动力功率和发电机的输出功率也在较小范围内波动。由此提出了一种新型的减低风力涡轮机输出功率波动的独立变桨控制策略[5],如图7所示。
图7 降低功率波动的IPC控制策略框图
输出的三个桨距增量为∆β1、∆β2、∆β3,则减缓输出功率波动的独立变桨控制器原则如表1所述:
表1 独立变桨控制原则
该独立变桨控制策略有效的减缓了由风切变和塔阴影引起的风力涡轮机功率波动。文献[5]利用Simulink,Turbsim和FAST的仿真软件对1.5MW逆风风力发电机进行了仿真研究,证明了该策略的有效性。
4 总结与未来趋势
独立变桨距控制能减小风力涡轮机平衡载荷和不平衡载荷,提高设备可靠性、延长设备使用寿命、减缓风力涡轮机的输出功率的波动、稳定输出功率、提高电网电能质量。
目前,各种独立变桨距控制技术的方法大多为单一的控制策略,较难控制随机性风速对风机动态载荷造成的影响;研究多数处于仿真阶段,现场的实际测试经验及结果还很少。今后应对风电系统采用多种控制策略相互结合的优化控制方法,将现场测试作为未来研究的重点。
[1]Zhang,Y.,Chen, Z.,Cheng,M.“Proportional resonant individual pitch control for mitigation of wind turbines loads”,IET Renew.Power Gener.,2013,7(3):191-200.
[2]Yunqian Zhang,Ming Cheng,Zhe Chen.“Load mitigation of unbalanced wind turbines using PI-R individual pitch control”,IET Renew.Power Gener.,2015,9(3):262-271.
[3]Van Engelen,T.G.,van der Hooft,E.L.:“Individual Pitch Control”,Inventory,Technical Report ECN-C-03-138,ECN Wind Energy,ECN Petten, Netherlands.
[4]杨超,李辉,胡姚刚,等.“叶轮不平衡下的风力机自适应独立变桨控制策略”,电力系统自动化,2015,39(15):35-41.
[5]Yunqian Zhang,Weihao Hu,Zhe Chen.“Individual Pitch Control for Mitigation of Power Fluctuation of Variable Speed Wind Turbines”,Proc.of IPEC 2012 Conference on Power and Energy,2012,638-643.
感谢:该项目得到了吉林省科技厅项目“基于独立变桨和电力电子的协调优化控制系统的研发”和“新型大功率永磁同步风力发电系统及其控制研究” 、长春市科技局项目“新型大功率永磁同步风力发电系统及其控制研究” 、吉林省教育厅项目“大型风力发电机组独立变桨及电力电子优化协调控制系统的研发”的支持,在此表示感谢。