变速变桨距风电机组的全风速限功率优化控制

控 制 相 结 合 的 新 型 限 功 率 控 制 策 略 (novel wind power curtailment control，N-WPCC)。理论分析和仿真结果表明， 与传统限功率控制相比，N-WPCC 优先进行电磁转矩控制， 再进行桨距角控制，能有效减少变桨系统的动作频率和动作 幅度，提高变桨系统的使用寿命，并能充分利用机组转动惯 量，在一定程度上提高发电量。同时，N-WPCC 的控制输 入为机组输出功率和电机转速，不需要可靠性不高的现场实 时测风数据。
关键词：风力发电；变速恒频；限功率控制；风力机转速控 制；桨距角控制；转动惯量
0 引言
近年，由于风速的随机性和间歇性，以及网源 建设间的矛盾，风场弃风限电现象越来越严重[1]。 据统计，2011 年全国平均风电弃风率约 12%，2012 年则高达 17%，在弃风现象严重的蒙东和吉林地 区，冬季供暖期限电比例甚至超过 50%[2-3]。
风场弃风浪费清洁能源和投资，加剧了环境矛
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中国电机工程学报
第 35 卷
盾，已引起全社会广泛的关注[1]。为提高电网的风 电接纳能力，风电场应配置有功功率控制系统，具 备有功功率调节能力，能根据电网调度部门指令控 制其有功输出[9]。文献[10]将风电场功率控制系统 分为风场级及机组级 2 个层面，上层风场级控制接 收上级功率调度指令，分配后下发给各机组，变速 变桨距(variable speed variable pitch，VSVP)WTG 机 组控制则包含基于电磁转矩控制的转速控制和基 于桨距角控制的功率控制 2 个控制环。文献[11]建 立了以风电机组调节性能为排序指标的风电场限 出力控制序列，并基于此给出了风电场限出力有功 分配方法，VSVP WTG 的 WPCC 主要通过桨距角 控制实现。文献[12]采用变桨距控制，文献[13]则同 时采用变桨和变速控制，以实现 VSVP WTG 在全 风速范围内的功率平滑控制，但所述控制均需要频 繁的调节桨距角，并牺牲相当一部分发电量，更适 合于含有风力发电的 SA-PS。文献[14-15]提出一种 简单易实现的 VSVP WTG 功率控制的逆系统鲁棒 控制方法，以实现全风速工况下的机组输出功率的 稳定有效控制，但该方法同样是以变桨系统的频繁 动作为代价。文献[16]将风电机组 WPCC 的设计目 标概括为 4 点，即 WPCC 时不能导致机组停运、不 能影响机组的稳定运行范围、限功率定值变化时的 稳定可控性及不能影响正常功率控制时的发电效 率，并以此为评判标准，对 3 种 WPCC 策略进行了 仿真研究和评估，得出控制策略 C(较高风速时桨距 角控制，其他风速时桨距角和转速共同控制)的综合 控制效果最优的结论。可见，文献[10-11, 16]讨 论的 VSVP WTG 限功率控制均以调节桨距角来降 低风轮叶片捕获的机械功率，从而实现对输出功 率的控制，风轮转速被动的由转矩控制环确定。该 控制方法在实际 VSVP 风场中得到了广泛应用，本 文 称 之 为 传 统 限 功 率 控 制 策 略 (traditional wind power curtailment control，T-WPCC)，其关注的重 点是如何使风机输出功率精确的控制在设定值，而 没有考虑在全风速范围内，尤其是中低风速情况 下，如何尽量优化变桨距系统的运行工况，以及如 何在 WPCC 时尽量提高机组发电量。
基于电磁转矩控制的风力机转速控制是变速 恒频(variable speed constant frequency，VSCF)WTG 在 中 低 风 速 下 实 现 最 大 功 率 跟 踪 控 制 (maximum power point tracking，MPPT)的关键技术手段[17-21]。 通过控制风力机转速，使其偏离最佳转速值，亦可 实现变速类 WTG 在一定程度上的限功率控制。文
摘要：变速变桨距风力发电机组的限功率控制通常采用变桨 距控制技术。该方法在高风速时能通过调节桨距角来快速稳 定的控制功率输出和风机转速，但在中低风速时，却没有充 分利用风力机特性，以优化风机运行工况。该文在综合分析 全风速限功率控制特性基础上，提出一种主动变速和桨距角
基金项目：国家 863 高技术基金项目(2011AA05A107)。 Project Supported by the National High Technology Research and Development of China 863 Program (2011AA05A107)
KEY WORDS: wind power generation; variable speed constant frequency (VSCF); wind power curtailment control (WPCC); turbine speed control; pitch angle control; rotational inertia
第 35 卷 第 8 期 2015 年 4 月 20 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.35 No.8 Apr. 20, 2015 ©2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. 1837
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.08.002 文章编号：0258-8013 (2015) 08-1837-08 中图分类号：TM 614
献[22-23]通过主动软失速控制来降低定桨距变速 WTG 在高风速区的瞬态载荷，降低对后级变换器 和发电机的容量要求，提高机组可靠性，控制了机 组成本，但却是以牺牲高风速段的部分发电量为代 价，并降低了机组的极端生存风速。文献[24]则将 VSVP WTG 的全风速 WPCC 分为高风速区的桨距 角控制、中间风速区的转速自由运行控制、低风速 区的修正的线性斜率控制等 3 种模式，案例分析中 重点关注了 SA-PS 中风电的 WPCC 这一典型应用 场合；但所提控制方法需以精确的预测风速为输 入，同时，桨距角控制与转速自由运行控制 2 种模 式间的切换仅以转速为判断依据，比较简单，不能 很好地适应不同气动特性的风力机，且没有深入细 致地讨论各控制模式间的相互切换过程。
根据风速的 Weibull 分布曲线，风力机对应的 功率输出大部分时间都处于较低水平[22, 25]，对全风 速范围内，尤其中低风速下的风机 WPCC 进行研究 探讨是十分必要的。本文在 WTG 全风速情况下的 正常功率控制(ordinary power control，OPC)原理基 础上，分析讨论了 T-WPCC 的工作原理和局限性， 进 而 提 出 一 种 新 型 全 风 速 限 功 率 控 制 策 略 (novel wind power curtailment control，N-WPCC)。该控制 方案优先采用电磁转矩控制，进而控制风力机转 速，使其运行在合适的高速状态，必要时再启动桨 距角控制，优化了变桨系统的运行工况；同时将部 分弃风能量转化为动能存储在旋转风轮中，在适当 时再转化为电能输出，从而能一定程度上提高发电 量。以某偏远原住民小区的风柴储生物质 SA-PS 为 背景，对一台 1.5 MW 双馈 WTG 进行了模拟计算， 验证了所提控制策略的正确性。
变速变桨距风电机组的全风速限功率优化控制
周志超 1，王成山 பைடு நூலகம்，郭力 1，许伟 2，张彦涛 1，刘峻岐 2
(1．智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市 南开区 300072； 2．国电联合动力技术有限公司，北京市 海淀区 100038)
Output Power Curtailment Control of Variable-speed Variable-pitch Wind Turbine Generator at All Wind Speed Regions
另一方面，在广大的海岛或偏远地区的独立供 电系统(stand-alone power system，SA-PS)中，风电 已得到普遍的应用[4-6]。考虑到偏远地区的燃料运输 和运行维护费用，风能是相较于太阳能、生物质能 等更为经济可行的可再生能源[7-8]，高的风电渗透率 是 SA-PS 供电经济性的重要保障，但这也意味着较 高的风电弃能量。进一步地，SA-PS 中的电源建设 一般一次建设完成，而系统负荷需求随生活水平的 提高会不断增长，所以在整个系统寿命周期内，风 电的限功率控制(wind power curtailment control， WPCC)将是风电机组(wind turbine generator，WTG) 常态运行方式，尤其在系统运营前期。
2. GuoDian United Power Technology Co. Ltd., Haidian District, Beijing 100038, China)
ABSTRACT: The pitch angle control has been widely used in the wind power curtailment control (WPCC) for variable-speed variable-pitch wind turbine generators (WTG). For power limitation above set point in high wind speed, the pitch control will be effective in controlling the output power and the rotor speed. However, this method does not make the best use of the turbines aerodynamic characteristics to optimize the operation conditions in middle and low wind speed. Based on analysis of the full-range WPCC operational characteristics, a novel WPCC (N-WPCC) strategy had been proposed through the combination of active turbine speed control and pitch regulation. Theoretical analysis and simulation results show that, through giving priority to the torque control than the pitch regulation compared with the traditional WPCC, N-WPCC can effectively decrease the frequency and amplitude of the pitch actor, thus to extend its operating life, and can also improve the power generation to some extent because of taking the full advantage of the turbines vast rotational inertia. In addition, the control input data of the proposed method are related with the output power and rotor speed rather than the wind speed.
ZHOU Zhichao1, WANG Chengshan1, GUO Li1, XU Wei2, ZHANG Yantao1, LIU Junqi2
(1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education (Tianjin University), Nankai District, Tianjin 300072, China;