双馈风力发电机功率管理控制算法研究

孟新光 邵勤丰

摘 要：随着风电发电在电网中比例的提高，要求各个风力发电场具备功率管理功能。风电场接受电网调度的有功功率指令，分配下发给各个风机，各个风机根据下发的功率管理指令，稳定快速准确的调节风机有功功率输出。本文对如何提高单台风机快速稳定响应调度指令进行研究。提出一种利用率较高，稳定，快速的一种方法。经过长时间现场应用，运行效果良好。

关键词：风力发电机;功率管理

0.前言

目前功率控制技术中多采用调节扭矩的方式来实现功率输出的调节。该方法虽然实现起来简单，但在风况在中等以上时，降低扭矩增加了变桨系统的负担，并且增大了风力发电机超速停机的可能性。因为在风况在中等以上的情况下，风力发电机工作在额定转速下，降低扭矩的阻力，风力发电机转速受风的影响增大，要控制好转速，则变桨系统工作负担加重，并且在湍流风的影响下，风力发电机超速停机的可能性也增加。

本文介绍一种风机单机有功功率管理的控制策略，实现稳定、快速调节有功功率输出。主要特点是：最优稳态工作点的计算;风机调节稳态工作点的方法。其中稳态工作点的计算采用了保持风机控制策略算法的完备性的情况下，计算出最优的稳态工作点;率管理的调节范围从0到额定功率;综合考虑风机叶片、风机变桨系统和变流器系统的工作性能;稳态工作点的调节方式，设定转速采用加速度的方法进行调节，设定转矩以恒定速度进行调节。

1.双馈风力发电机主控制算法

双馈风力发电机主控制算法常见的有两种，图1中的A-B1-C1-E和A-B-C-E，其中A-B-C-E为早期算法，称查表发，风机在正常發电状态时，有两个运行环节，转矩查表控制和变桨控制。转矩查表环节发生在额定风速以下阶段，桨叶完全打开，主控根据实时的转速查表得到发电机转矩值。变桨控制环节发生在额定风速以上，发电机转矩为额定转矩，通过变桨系统调节能量捕获控制发电机转速保持在额定转速。

A-B1-C1-E为转矩双PI控制算法。风速在额定风速以下时，A-B1和C1-E两个阶段是通过转矩PI控制发电机转速保持在恒定转速。B1-C1为转矩查表法。风速大于额定风速，依然是变桨控制环节。

2.工作点的计算

常规的大功率风力发电机，通常采用3个桨叶。每种翼型的桨叶都有一个最优风速功率曲线，如图1中农红色的曲线。当发电机转速和发电机转矩对应点落在这条曲线上时，风能的利用率达到最高。当风机处于功率控制状态时，设定转速和设定转矩不能落在这条曲线上时，并且此时捕获的功率小于设定功率时，就不能达到风能利用率的最大化。因此在功率管理工作点的计算时需要根据风机接受到的有功功率值，结合风机叶片翼型的最优Cp曲线计算相应的最优稳态工作点，计算出相应的设定转速值和设定转矩值。这样就保证了即使风机工作在功率管理的状态下，依然可以保证风速对应功率小于功率管理给定功率的工况时，风机依然保持最优Cp，能量捕获和转换的效率最高。

图 1

因为双馈风力发电机的变流器有最小工作转速，因此在风机实际运行中采用的工作线路是A-B1-C1-E或者A-B-C-E。因此在的功率管理时，计算新的稳态工作点要根据风电场下发给风机的有功功率指令在A-B1-C1-E曲线或者A-B-C-E曲线上面找，这样就保证了在工况到达稳态工作点之前时，风机依然保持和非功率管理情况下同样的工作状态。点的计算以X轴为转速，Y轴为转矩，因此每个点都唯一对应一个有功功率值，一个有功功率设定值也唯一对应一组设定转速和设定转矩值。功率管理设定值的范围从0kw到额定功率。

3.快速平稳的动态调节

当处于功率管理状态时，风力发电机组接受到新的功率管理设定值时，快速调节风机的稳态工作点，根据不同工作状态，调节风机稳态工作点方式不尽相同，必须结合考虑风机的平稳运行，再确定调节设定转速和设定转矩的方式，再综合考虑风机变桨系统和变流器系统的响应能力，以平稳且最优的调节速率调节设定转速值和设定转矩值。

根据稳定工作点计算出相应的设定目标转速值值V目 和设定目标转矩值Q目 。对风力发电机进行调节;所述调节的方式分两部分：设定转速调节和设定转矩调节。

设定转速调节具体是指：设定一设定转速V设 ，在控制周期内分别与风力发电机的实际转速值V实 和设定目标转速值V目 相对比;当设定目标转速值V目 与设定转速值V设 的差的绝对值大于100，则判断设定转速值V设与发电机的实际转速值V实的差值。当设定转速值V设与发电机的实际转速值的差值满足                 ，t表示调节周期。则下一控制

周期内设定转速值V′设 改变，即                。当               ，则下一控制周期内设定转速值设V′设 不变，即V′设=V设 。等待发电机实际转速值V实 上升或下降至V′设 ，然后继续增加或减小设定转速值V设 ，直至设定转速值V设 接近设定目标转速值V目 ，即满足

│V目-V实│≤100 。当│V设-V实│<10 则下一控制周期内设定转速值V″设=V设±10 ，当│V设-V实│≥10 则下一控制周期内设定转速值V″设=V设。等待发电机实际转速值V实 上升或下降至V″设 ，然后继续增加或减小设定转速值V设 ，直至设定转速值V设与设定目标转速值V目 相等，然后将发电机实际转速值V实 上升或下降至V目 。

设定转矩调节具体是指：在每个控制周期内以一个固定值Qα 进行调节，直至发电机实际转矩值Q实 与设定目标转矩值Q目 相等;所述固定值

，t表示调节周期，Q额 表示发电机的额定转矩。

降功率时采用同样的方法，反之即可。

图 2

以1.5MW双馈型风力发电机为例。额定转矩为8469N.M。以300N.M/s的速度进行调节。无论是升功率还是降功率都以300N.N/s 的速率调节。这样保证了最大的调节周期在30秒以内。

图 3

4运行效果

目前此方法已在风力发电场现场使用中，运行效果良好，如图3所示。其中备有3为功率管理的设定功率值。从图可以看到，风机有功功率值跟随有功功率设定值跟随的快速准确。

5结论

在实际的应用中，此方法可以实现稳定快速的功率调节响应。未来需要进一步研究的方向：精确最优工作点计算的，需要考虑海拔、温度、气压等因素的影响;设定目标值的调节采用完全闭环PID调节;当设定转速和转矩不再是额定转速和转矩时，整机运行算法参数的整定。

参考文献：

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[2]李辉，何蓓. 双馈风力发电系统的最大风能控制策略 [J].太阳能学报2008.07

[3]朱卫平，王秀丽， 王锡凡. 变速变频风力发电系统最优风能捕获运行方式 [J].电力系统自动化2009.11