基于数据分析的风电机组基本控制策略研究

文 | 周世东

通常，我们对风电机组监控系统的数据分析，主要用来进行故障统计、功率曲线分析。实际上，监控系统存储着很多机组的实时运行数据，通过对这些数据进行分析，可以确定机组的一些运行控制规律和策略。通过进一步对比分析，还能得出理论控制策略与实际控制策略的差别，以及不同厂家、不同类型机组控制策略的区别。

本文通过对Vestas公司生产的V42-600kW、屏蔽RCC降功率为300kW运行的V42机组和V80-2000kW机组运行数据的处理和分析，以及与Vestas提供的技术手册进行对比分析得出了一些控制规律和策略。

V42-600kW机组的控制

早期Vestas公司生产的V42-600机组，采用全叶片变桨距控制，绕线转子异步发电机通过RCC控制发电机转差率，运行在转速1515～1650rpm范围内。

V42机组监控系统每30分钟存储一次机组的运行数据，主要包括日期、时间、风速、功率、转速、变桨角度，数据格式为文本格式，中间以空格间隔。由于采集间隔较长，为了保证数据量的充足及便于进行比较，选取故障率低的12台机组，其中6台为功能完好、以额定功率600kW运行的机组，另外6台则是由于RCC故障进行屏蔽、降功率为300kW运行的机组，以便分析V42-600kW机组的各种控制规律及RCC屏蔽后机组控制规律的变化。选取风况较好的2～3个月的运行数据，按照机组编号对数据进行整理、链接，滤除重复数据及故障停机的数据，最后对600kW和300kW机组的数据分别进行合并处理后导入Excel表格，形成的数据表格式如表1所示。

表1 V42机组运行数据表

图1 V42机组的功率/风速曲线图

再利用Excel对600kW和300kW的机组数据作X-Y散点图。由排列组合可知，风速、功率、转速、变桨角度可组合生成6组X-Y散点图。对每种组合的X-Y散点图进行分析，我们会得到一些机组的控制规律及控制参数。结合机组技术手册提供的控制规律和技术参数进行对比验证，得出V42机组的基本控制规律及策略如下：

一、功率控制

由功率/风速数据生成的X-Y散点图形成的趋势线就是我们通常所说的功率曲线，如图1所示。SCADA系统也是利用运行数据中的功率和风速数据进行处理得出功率曲线。

从功率/风速散点图可以看出，机组的启动风速大约为4m/s，额定风速为15m/s，额定功率为600kW，由于采用变桨距控制，达到额定风速后，额定功率能稳定地控制在600kW。由于数据量有限，未能看出风速达到25m/s切出后的曲线。

二、变桨角度控制

变桨角度控制分两种情况：一种是机组并网前（转速低于1500rpm）的变桨角度控制；另一种是并网后的变桨角度控制。这两种过程采用不同的控制方式及策略。

（一）机组并网前的变桨角度控制

根据变桨角度/转速散点图（如图2）所示，叶轮转速低于50rpm时，变桨角度控制在40º不变，以便机组获得最大启动扭矩。当转速在50～500rpm之间时，变桨角度从40º向2º进行调节，并且在此转速范围区间变桨角度与转速呈一线性关系变化，在变桨角度/转速散点图上形成一条斜线，从而保证机组以最快速度启动。当发电机转速在500～1500rpm之间，达到1500rpm并网转速之前，变桨角度控制在2º不变，以便及时并入电网。当发电机转速在1500rpm附近时，机组调节变桨角度，使转速稳定控制在1500rpm，将发电机并入电网。在不同风速下，为了将发电机转速控制在1500rpm，需要不断调节变桨角度以保证恒定转速。因此在图2中，转速为1500rpm时的变桨角度为一竖直的直线。

通过变桨角度/转速散点图（图2）得出的机组在并网前变桨角度随叶轮转速变化的控制规律与手册提供的“机组启动时，叶轮转速在0～500rpm范围内，叶片角度由45º向5º减小，并保持在5º，直到转速达到1500rpm”控制规律基本一致。以上控制参数之所以存在差异，是因为参数设置的不同。

（二）并网后的变桨角度控制

图2 V42机组的变桨角度/转速曲线图

图3 V42机组的变桨角度/功率曲线图

根据变桨角度/功率散点图（如图3）所示，机组并网后、达到额定功率前，变桨角度随功率的变化呈一条连续的曲线。变桨角度的变化范围从并网时的2º逐渐向0º调整；功率在200kW附近，变桨角度接近0º；之后变桨角度随功率增加而增加，达到额定功率600kW时，变桨角度接近4º，形成一条连续的光滑曲线。由此曲线可见，在达到额定功率前，机组变桨角度的控制是随风速变化寻找最佳桨距角控制，以达到最佳出力，而非某些机组的固定桨距角或根据风速分段进行桨距角控制。达到额定功率以后，通过变桨角度的控制，使机组控制在额定功率范围不变，但是在此范围内变桨角度的变化随风速的变化范围很大，大约在4～20 º的调节范围，在此工作区变桨角度会随风速的变化频繁进行调节。

三、转速（转差率）控制

根据功率/转速散点图（如图4）所示，从并网到达到额定功率期间，功率随转速的变化呈线性关系，此曲线的斜率即为转差率。功率从0kW增加到600kW期间，转速随之从1500rpm增加到1530rpm，此时发电机的转差率为2%，可见从并网到功率达到额定功率之前，RCC控制发电机在2%恒定转差率工作。

达到额定功率以后，RCC不断实时调节转差率，控制发电机的转速，通过发电机转速的变化将一部分动能储存在传动系统中，以平滑发电机输出功率，减少变桨机构的调节频率，并弥补变桨调节响应速度不足造成的功率瞬时变化及超调。这与机组手册提供的功率/滑差曲线相一致，如图5所示。

通过以上控制曲线可见，由于发电机转差率的变化范围（1%～10%）很窄，对应的转速范围为1515～1650rpm，因此，机组的调速范围很窄。在额定功率以下并不随风速变化，通过转差率控制实时调节叶轮转速，可以达到最佳叶尖速比。RCC只在额定功率附近调节机组转速，起到平滑功率的作用，同时减少变桨机构调节的频率。与目前的变桨、变速风力发电机组的控制模式和规律有很大区别。

图4 V42机组的功率/转速曲线图

图5 V42机组的滑差调节范围

V42机组屏蔽RCC后的控制

在RCC电气和控制单元故障的情况下，可以通过对控制系统参数的修改，屏蔽RCC的功能，并将额定功率改为300kW。通过对此类机型运行数据的分析，功率控制及变桨控制的曲线基本不变，唯一变化的就是额定功率控制在300kW。但是由于RCC屏蔽后转速（转差率）调节功能的丧失，使得功率/转速曲线发生了很大变化，RCC屏蔽后300kW运行机组的功率/转速曲线如图6所示。

从图中可以看出，功率随转速的变化呈现为一条斜线，中间没有转折点，可见RCC屏蔽后，RCC控制单元的IGBT处于关断状态，未对转速（转差率）进行控制调节。从图6中曲线可以看出，当功率从0kW增加到300kW期间，转速随之从1500rpm增加到1575rpm，折算到600kW时的转速为1650rpm。此时发电机的转差率为10%，可见RCC屏蔽后，由于RCC电阻单元的作用，发电机一直工作在最大转差率（10%）状态。

从可变转差率发电机原理图（如图7）可知，当RCC电气单元IGBT全导通时，发电机在1%转差率下运行，类似于鼠笼式异步发电机的转差率。当RCC电气单元 IGBT完全关断时，发电机在最大转差率（10%）下运行，通过控制IGBT的导通状态，控制发电机转差率在1%～10%的范围内变化。但是，为了保证发电机能够正常工作，电阻单元必须是完好的。否则，会引起发电机转子过电压时Crobar电路启动或者造成发电机等部件绝缘损坏。RCC故障屏蔽后，保证600kW运行并不是不可能的。但是，在额定功率运行时，由于没有RCC转速调节平滑功率，容易引起功率超发故障。并且，发电机运行在最高转速1650rpm，超发电后转速继续升高，容易引起发电机超速故障。当然，RCC故障屏蔽后，将功率参数设定到400～500kW运行，又不发生超发或超速故障是完全可能的。在电阻单元同时损坏的情况下，可将发电机转子引出线用铜排短接，并屏蔽RCC运行。此时发电机在1%的最小转差率下运行，类似于鼠笼式发电机的运行状态。如果在额定功率下运行，不会发生超速故障，但仍会发生功率超发现象。

V80-2000机组的控制

V80机组是采用双馈发电机，变桨、变速控制的风力发电机组。机组主要技术参数为：额定转速1680rpm，启动风速4m/s，额定风速15m/s，额定功率2000kW。

图6 V42机组屏蔽RCC后的功率/转速曲线图

图7 可变转差率发电机电气原理图

机组在并网前的控制策略与V42机组基本相同，只是一些控制参数稍有变化；但是，由于V80机组是变桨变速机组，在并网后的控制策略与V42机组的可变转差率控制相比大有不同。

一、机组并网前转速控制

在机组启动并网前，变桨角度随发电机转速变化散点如图8所示。当发电机转速在250rpm以下时，变桨角度控制在固定的32°，以获得最大的启动力矩。当发电机转速达到并网转速（250～1250rpm）之前，机组不断减小变桨角度，直到达到并网转速1250rpm。

二、机组在部分功率下的转速控制

当风速在切入风速与额定风速之间、机组工作在额定功率之下时，机组将被控制在最高的发电效率上。机组的部分功率控制，按照风速范围将分为3个风速阶段。如图9的转速/风速曲线所示。

（一）工作在启动风速范围阶段

在这个风速阶段，发电机转速控制在并网转速1250rpm，以保证发电机的正常并网发电。此阶段风速范围为 4 ～ 6m/s。

图8 变桨角度/发电机转速曲线图

图9 V80的机组转速/风速曲线图

（二）工作在最高风能转化效率阶段

在这个风速阶段，发电机转速与风速呈正比例变化，以保证叶轮获得最高的风能转化效率。此阶段风速范围为 6 ～ 10m/s。

（三）工作在额定转速阶段

当风速大于10m/s，机组工作在额定转速1680rpm，由于阵风的影响，转速会在额定点附近变化。

从转速/功率曲线可以看出，由于机组的工作转速范围（1250 ～1680rpm）较小，因此，不可能在整个部分功率风速范围（4 ～5m/s）内都保证叶轮有最高转化效率，只能在中间段（6 ～10m/s）内保证叶轮有最高转化效率。

三、机组在额定功率下的转速控制

当风速大于额定风速、小于切出风速（15 ～25m/s）前，通过变桨角度控制机组在额定功率发电，此时的发电机转速仍然工作在额定转速。

通过以上分析，V80机组的转速变化范围为1250～1680rpm，比V42要宽很多，其较宽的转速范围控制用于低风速下，以保证最高的风能转化效率。而V42机组的转速变化范围为1515～1650rpm，仅用于控制机组在额定功率段平滑功率输出。由于被分析的V80机组没有采用星-三角切换，因此，其部分功率控制的转速和风速范围存在较大差异。并且其转速变化范围也较有星-三角切换的机组要小很多。

结语

本文通过对V42-600kW、屏蔽RCC降功率300kW运行的V42机组和V80-2000kW机组运行数据的处理和分析，得出机组在变桨角度、功率、转速随风速变化的一些控制规律和策略，以及这几种机型控制上的差异。如在机组上加装扭矩传感器等，对以上数据和发电量等数据进行实时采集分析，会得到机组功率控制、扭矩控制、转速控制等更准确及详细的控制规律及策略。