风力发电机组的控制技术研究

风力发电机组的控制技术研究

彭国勋

明阳智慧能源集团股份公司  广东省 中山市  528400

摘要：风力发电作为一种可靠的清洁能源，越来越受到人们的重视，风力发电机利用风力驱动风机叶片旋转，并通过增速器（双馈串联风机）进一步提高转速，驱动发电机旋转，将动能转化为电能，产生的电能将输送到公共电网。

基于先进的控制平台和智能技术，针对不同的风况、不同的地形等实际情况，提出一系列智能策略，实现定制的精确控制，最大化机组的发电性能，提高发电利润和发电率。基于此，本文对风力发电机组的控制技术进行探究,具有重要意义。

关键词：风力；发电机组；控制技术

引言

风力发电机组的控制策略不断发展，结合当前行业的先进技术经验，在风机控制中加入人工智能、自适应运行策略、场群交互、尾迹控制等先进技术。机组在运行过程中，外部环境不断变化，不同型号、不同风场、不同季节，机组的运行情况也不同，采用传统的控制策略，忽视风机的实际运行特点，大多数机组将处于出力较差的状态，承受更为严重的外部负荷冲击。

一、借助综合控制策略减少现场故障

发电机转矩控制，风力涡轮机在一定的风速范围内发电，但不能达到额定功率。T=Kopt*ωg^2，通过比较实际转速和参考转速的误差信号来获得最大参考功率，以保持恒定（最佳）叶尖比，从而保持发电机的最佳扭矩。首先是俯仰角控制，通过限制风力涡轮机的发电机扭矩和速度以及降低风力涡轮机的结构负载来实现功率控制。变量控制可分为集合变量控制和自变量控制，转子集体旋转依赖于比例积分控制。假设所有叶片上的载荷相等，这将导致不平衡载荷，最终可能导致风力涡轮机故障。独立变量螺旋桨控制需要附加传感器和单叶片俯仰角的指令，大多数独立变量螺旋桨控制主要针对抑制高风速的风机功率输出和叶片载荷，通常采用科尔曼变换的正交轴将得到垂直-弯矩，然后设计两个独立的PI控制器，抑制轴上的负载。二是失速控制，叶片固定在轮毂上，通过特殊的叶片设计，当风速过高时，叶片会产生一定的变形，利用风机叶片的气动特性，当风速增大时，增加阻力，抑制风机的转速，从而控制功率输出，适用于小型风机。三是唤醒控制，实时尾迹经验计算模型，可安装在工控机上，实时模拟全场的尾迹情况，实现主动尾迹控制，上游机组的偏航不逆风，控制降功率和划桨，整合整个风能资源，确保整个领域的最大发电量。[1]

比如说，现场群控系统主要体现在机组互联、人机通信，结合高速传输通信系统和人工智能算法进行现场群控。传感器信号可在单元间交换，实现冗余控制，可以交换机组健康状态信息，通常需要携带一套工业计算机作为整个领域的中枢大脑，作为数据传输的桥梁和数据分析与控制的平台，实现以太网支持IO级实时通信。同时借助现场群控硬件基础，实现机组信息共享（风速、温度等）、参数传递、精细配电调整控制，最快通信速率可达1ms，这样能够保证一是每个单位都能自动感知自身及其周边“合作伙伴”的地理信息；二是如果设备发生故障，寻求“外部协助”以实现故障遍历，如在外部传感器发生故障时使用“合作伙伴”传感器冗余；三是突破SCADA系统的二级限制，实现毫秒级现场协同控制，寻求更高现场级有功功率、降负荷和功率增益的最优控制。

二、借助智能控制系统实现寿命调度

智能控制系统，一是智能偏航校正控制系统，根据采集到的机组出力（发电机功率）、风速和风向数据，采用离散拟合方法和函数推导算法求解最高功率点对应的偏航误差角，推导机组出力与风向的匹配度，进而在线自动确定并实现偏航误差修正角。二是软切出控制算法，根据软切策略的实际功率散点图，根据软切功率曲线和现场风频分布，估计风电场机组年发电量将增长近1.15%。三是大型构件载荷疲劳损伤计算与动态功率调度，风电场机组设计中使用的风资源参数通常包含最差的机组，即大多数机组的风资源适中，实际累积损害较小，属于稳健组。在现场实际运行中，风资源和机组的设计参数也会有所不同。实时测试系统可有效监测各机组叶片、轮毂、挂架等大型部件的寿命，从而更智能地指导机组功率的动态调整。[2]对于健康机组，可采用柔性功率动态控制实现寿命调度。通过健康评估与亚健康运行模式，利用大量监测数据定义合理的健康指标，深入挖掘和综合分析多个相关变量，并在此基础上，建立各关键部件和风电机组的整体健康评价模型，实现风电机组的在线健康评价。通过对关键子系统部件进行系统评价，建立相应的监测内容和健康监测方法，将风力发电机运行健康评价指标分为齿轮箱、发电机等10大类，根据其特点，并根据其可及性确定测量运行的部件，制定相应的监测方法，进一步减少风电机组故障，提高项目运营收入。

比如说，虚拟激光雷达区域化控制系统，这是一种座舱式激光雷达产品，由于具有对前方风速、风向等进行测量的功能，所以可以通过前馈控制实现对额定风速以上风向的风偏校正功能，以减少并网发电模式下电机转速的波动，对疲劳荷载前后塔筒方向的降低和减重进行了分析。研究执行器、动作等改善输出效果。我们可以采用虚拟lidar区域化控制系统，通过大幅减少风电场中的lidar产品配置数量，降低lidar产品的硬件投入成本。同时，通过训练可以得到精确的虚拟激光雷达模型，实现提高效率、减轻各单元负荷的效果。虚拟激光雷达区域控制系统的应用主要体现在两个方面：最佳增益控制段是风机转速低于额定风速的变化间隔，神经网络训练风速作为风速测量值构建叶尖速比闭环控制回路。

三、针对低温和常温采用不同控制策略

整个机组通过自动控制系统将各子系统、设备、传感器等连接在一起，形成自动控制网络，可以完成机组偏航、转子和并网发电控制等功能。随着风力发电和风力机研究的深入，风力机本身的设计也在不断优化。除了发电的目的外，机组的控制设计还需要不断增加对电网和周围环境适应性强、不扰民等功能要求。随着我国清洁能源的蓬勃发展，风力发电机组的需求量逐年增加，更多的风电场开始在离居民区不远的空地上建设。由于机组叶片越来越长，应尽量减少夜间和休息时间的偏航运行时间。综上所述，有必要设计一种实时友好的偏航控制策略，以提高机组对环境的适应能力。本文设计的友好偏航控制策略主要包括三个部分：低温和常温的选择、是否避开居民区、夜间和白天。

电缆在低温环境下会更加脆弱，容易断裂，连接塔架和机舱的电缆能够承受较小的扭转力。因此，在低温环境下，单向旋转的发动机室位置角比常温环境下小。在实际偏航系统中，偏航控制器将向机组提供硬件左右极限位置故障反馈。触发反馈后，偏航系统将被锁定，无法继续偏航，需要手动干预才能继续偏航。此外，偏航控制器提供左右极限位置警告，主控制程序使用该警告自动释放电缆和其他操作。[3]这些是由偏航控制硬件配置的，不能通过编程进行修改。然而，在触发硬件保护之前，主控程序通常会设置受软件保护的机舱的单向操作角度。主控制程序可以通过温度来判断这个角度，不同的温度对应不同的角度，从而在低温和常温下实现不同的控制策略，确保偏航系统的安全。

总结

综上所述，通过模型仿真校核和现场试验对比，风电场可以采用场群控制、尾迹控制、智能控制算法和虚拟激光雷达区域控制技术改造方案，可确保全场平均效率提升率达到4-5%，从而有效提高风电机组的环境适应性，同时实现发电量的最大化和机组性能的优化。

参考文献：

[1]李晓飞,范晨亮,张晋宇,闫云强,李文燕,任晓旭,石宇,汪晴. 多机型风力发电机组的功率快速协同控制技术[C]//.第十八届中国诚信企业家大会论文集.[出版者不详],2022:5-14.

[2]赵海川. 10MW永磁风力发电机组变流控制技术研究[D].沈阳工业大学,2020.DOI:10.

[3]廖梦君,郭琦,罗超,韩连山.直驱式风力发电机组并网友好控制技术研究[J].电力电子技术,2019,53(05):57-59.