风机控制策略优化研究项目——开题报告_2015_08

目前，集团下属的大部分风场普遍存在功率曲线
无法达设计值的问题，即风力机制造商提供的设计功
率曲线与测试所得的功率曲线的差别很大，这一问题严重
影响了风电机组的年发电量和风电场的经营效益。因此，
功率曲线问题已经引起集团公司领导的高度重视，必须尽
快解决。
3
集团风场主控系统现存问题
电网适应性要求越来越高，早期的控制系统难以满足 相关要求；
2000
变桨PID控制器Kc=2 0
1.5
1.55
1.6
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
1.9
1.95
时间
桨距角
4
x 10
50
40
30
20
10
0
1.5
1.55
1.6
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
1.9
1.95
时间
4
x 10
23
tg

仿真中使用风机的基本参数
额定功率 1.5MW
风轮半径 41m
目前的参数只是试凑的方式，没有任何理论依据； 2）优化变桨控制与转矩控制切换逻辑，减少切换频率， 避免功率频繁跌落。 2015.11-12 塔架加阻功能设计（变桨主动阻尼+陷波滤波器） 2016.01-03 传动链加阻尼功能设计
（转矩主动阻尼+陷波滤波器） 2016.04-06 转速区间跳跃功能设计 2016.06-12 低噪声运行模式控制策略设计 2015.08-2016.12 与外单位合作，在试验风机上实现所研究
3）已设计最优模态增益值自适应修正算法，进行了仿 真验证；
4）已设计额定风速以上的变桨PID控制策略，初步设计 了转矩与变桨控制的切逻辑，进行了仿真验证。
9
风电机组简单模型
1）风轮模型：
风轮吸收功率
Pr

cp (, )
R
2
v3
最佳风能吸收系数
cp (, )

c1
(
c2
i
c3
c5
以此为基础，对主控策略进行二次开发和优化完善， 培养独立开展控制策略优化的能力，努力提升技术服务 水平，为集团公司风场的发电能力和盈利水平作出贡献。
目前，已联系山东烟台公司，将驿道二期风场作为 与米塔合作的首个试验风场，计划今年9月完成3台试验 样机的优化升级。
27
合作模式
与华创风能合作，共同开发风机双PI、传动链加阻、 低噪声等控制策略，进一步开发风场功率智能控制、状 态监测和诊断功能，实现华创风能控制系统性能的整体 提升。
优化风机微观选址，挪移机位；
升级控制系统硬件，增强可靠性（设备制造） ；
采用更先进的控制策略，提升风能的吸收和转换效率 。
对于已经投运的机组，优化升级控制策略
最具可行性！
5
控制系统主要任务
尽量捕捉更多的风能，提升发电量 降低风机运行中的气动载荷、疲劳载荷，减少振动 保障风机自身安全与电网安全 满足电能质量要求 控制系统硬件可靠，减少非正常停机 靠近居民区的风机需要严格控制噪声
变桨控制与转矩控制切换逻 辑设计
传动链加阻尼功能设计 塔架加阻尼功能设计 转速区间跳跃功能设计
独立变桨控制
初步构成了双馈风电机组控制策略的研究框架
8
目前的研究进展
1）基于Matlab的Simulink仿真平台，初步搭建了风电 机组的仿真模型；
2）开发了双PI转速—转矩控制策略，并与传统的查表 法，通过仿真验证了双PI控制策略的优越性；
2
时间
4
x 10
桨距角
40
Pitch
20
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
时间
x 104
6
x 10
功率
2
Power
1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
21 2
时间
x 104
Tg
Power
cp
Pitch
wind
20 15 10 5
0.4 0.2
0
8000
6000
c4 )e i
c6
1
i

1
0.08

0.035
3 1
10
风电机组简单模型
2）传动链模型（假定传动链为刚性连接）：
3)变桨模型
nTg Tr


Tr (



(Jr

n2 J g
)
dg
dt
Jr

n2 J g
)
dg
dt
g nr





1 s
4000
6 4 2 0 -2 -4
6
x 10 2 1.5 1 0.5
额定风速附近，变桨控制 与转矩控制频繁切换问题
风速
1.42
1.44
1.46
1.48
1.5
时间
Cp
1.42
1.44
1.46
1.48
1.5
时间
转矩
1.42
1.44
1.46
1.48
1.5
时间
桨距角
1.42
1.44
1.46
1.48
1.5
时间
1.6
1.8
20 2
时间
4
x 10
wind
风速 40
20
0
-20
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
时间
4
x 10
Cp
0.4
0.2
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
时间
4
x 10
转矩
10000
cp
Tg
5000
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
系统开放性差，业主权限较低，无法实现功能扩展 （如辅助设备自动控制）或集控接入；
主控系统反应较慢、效率较低、调节品质较差； 随着投产时间的逐年增加，主控故障率升高，影响发
电生产； 随着新产品的应用普及，旧的系统即将停产，配件价
格与维护费用高昂，且采购周期延长。 部分主控系统控制算法落后，未能充分利用风能发电，
2000
1900
1800
1700
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
1.9
时间
x 104
转矩
8000
7500
7000
变桨PID控制器Kc=0.02 6500
6000
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
1.9
时间
x 104
桨距角
20
10
0
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
1.9
时间
x 104
tg
omeg
6
双馈风电机组的基本控制策略
转矩
Z1 Z2
Z3
ABCD—双PI控制 AEFD—查表法控制
BE
D Z4
风机转速达到并网要求，恒
Z5
转速运行（AB段）
F
C
额定转速以下，转速跟随风
x 105 15
速变化，最大吸收风能桨距
角保持在最佳设计值（BC段）
10
额定转速以上，额定风速以
转速 下，恒转速运行（CD段）
A
双馈风电机组运5 行 额定风速以上，变桨控制，
目标轨迹
保持恒功率运行（D点）
0
3
4
5
6
7
8
9
10
7
研究内容规划
提升发电量
双PI（比例积分）控制 策略设计
控制参数温度自适应修 正算法开发
降低噪声
风机低噪声运行模式 控制策略设计
载荷（含振动）优化
变桨PID（比例积分微分） 控制策略设计
齿轮箱变速比 104
发电机最大转速 发电机并网最低 转速
2000r/s
1030r/s
发电机转动惯量 风轮转动惯量 发电机最大转矩 低速PI恒转速设 发电机额定转速 定
78Kgm^2
发电机功率调节 时间常数
5775878 Kgm^2
最佳Cp设计值
10000Nm
1200r/s
1800r/s
最佳叶尖速比设 风速单次阶跃变 风速随机变化方
具有较大改善潜力。 4
优化功率曲线的常用手段
改善叶片的气动性能（设计与制造） ；
增加叶片长度（设计与制造） ；
提升传动链与电气设备的效率（设计与制造） ；
风电机组自用电消耗（偏航、变桨、液压站、增速箱 和发电机冷却、电控柜加热及冷却） ；
增大额定发电功率的设定值（存在安全隐患）；
1

demand
4）发电机模型（发电机的惯性远远小于风轮）：
Pg Tg g
11
Simulink 风电机组仿真模型
12
额定风速以下，双PI控制策略
13
双PI控制策略（与查表法仿真对比）
Omegag
(a)-风 速 (m/s) 10
wind
5
0 0
2000
1000
2000
3000 4000 5000 时间
5.6
5.4
5.2
5
4.8
4.6
4.4
4.2
4
1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45
1
1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45
空 气 密 度 (Kg/m3)
空 气 密 度 (Kg/m3)
当实际空气密度比设计值偏大（小）0.2Kg/m^3时，自适应 算法比定值算法发电功率高4000W—5000W（风速7m/s）。
计值
化幅值
差
0.04s
0.48
8.1
3、6m/s
1(m/s)^2
变桨执行机构时 间常数
0.4s
最大变桨角度 87dec
最小变桨角度 -3dec
变桨速率最大限 转矩调节最大速
制
率限制
6dec/s
750Nm/s
24
下阶段研究计划
2015.08-10 1）PID控制器参数的设计方法需要深入研究 （控制器参数显著影响风机运行的稳定性和载荷）,
0 0
40 30 20 10 0
0
wind speed
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
时间
4
x 10
转速
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
时间
x 104
转矩
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
时间
4
x 10
桨距角
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
14
12
10
8
6
功率大约提升15kW-30kW,
占额定功率1%-2%
4
2
0
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
时间
16
最优模态自适应算法
TgZ3 Koptg2
K opt

0.5R5Cp (, )
1
n33


0
pT0 p0T
0 1.225kg / m3
的内容 25
讨论问题
主动阻尼控制，关键是带通滤波器设计
Gdtd

K
s2
2 s 2 s 2
26
合作模式
与丹麦米塔（ Mita ）合作，开展风机主控系统改 造、风场功率控制优化升级，逐步获取米塔主控系统的 控制策略和源代码程序，学习和掌握基于Scada数据的诊 断分析技能和主控系统调试经验。
18
额定风速以上变桨PID控制
在高于额定风速时，设计变桨PID控制器，限制风能 吸收，并配合发电机转矩控制，实现输出功率稳定在额定 值的目标；
19
tg
omeg

wind speed
30 20 10 0 -10
0
2000 1800 1600 1400 1200 1000
0
8000 6000 4000 2000
由我方负责控制策略的可行性研究、方案设计、仿 真验证，华创配合实施程序代码开发、现场调试，研究 成果和收益由双方共享。

wind speed
wind speed 25
20
15
10
5
0
1.5
1.55
1.6
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
1.9
1.95
时间
4
x 10
转速
3000
2500
2000
1500
1000
1.5
1.55
1.6
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
1.9
1.95
时间
x 104
转矩
8000
6000
4000
p0 101.33kPa
T0 273K
17
最优模态自适应算法
风 能 利 用 系 数 Cp 功率
0.482 0.481
0.48 0.479 0.478 0.477 0.476 0.475 0.474 0.473
1
空 气 密 度 —风 能 利 用 系 数 关 系 曲 线
x 105 5.8
空 气 密 度 —发 电 功 率 关 系 曲 线
项目研究背景 研究内容计划 已取得的研究进展 下阶段研究计划
合作模式
2
项目研究背景
截止2014年底，集团公司（含新能源公司）在役风 场130以上，累计安装风电机组6000余台，风电累计装机 容量达到1139万千瓦。随着风电并网价格的下调，以及弃 风限电日益严重，如何提高风电机组的年发电量，如何保 证风电场的经济效益，成为集团公司新能源板块面临的首 要问题。
功率
1.42
1.44
1.46
1.48
1.5
时间
1.52 x 104
1.52
4
x 10
1.52
4
x 10
1.52
4
x 10
22
1.52
4
控制器参数设计（调试）问题
wind speed
omeg
wind speed 25
20
15
10
Baidu Nhomakorabea
5
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
1.9
时间
x 104
转速
2200
2100
Torqueg
双PI控制策略（与查表法仿真对比）
Cp系 数 0.5
0.45
Cp
0.4
Cp值大约提高0.003-0.005
0.35
0.3
0.25 0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
时间
15
双PI控制策略（与查表法仿真对比）
Power
5
x 10 16
功 率 (w)
(b)-发 电 机 转 速 (r/min)
6000
7000
8000
1000
0 0
10000
1000
2000
3000 4000 5000 时间
(c)-发 电 机 转 矩 (Nm)
6000
7000
8000
5000
0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 时间 14