风机控制策略优化研究项目——开题报告2015-08

功率
1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45
4.8 4.6 4.4 4.2 4 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）。
5
B
E
额定转速以下，转速跟随风 速变化，最大吸收风能桨距 角保持在最佳设计值（BC段）
转速
10
A
额定转速以上，额定风速以 下，恒转速运行（CD段）
双馈风电机组运行 额定风速以上，变桨控制， 保持恒功率运行（D点） 目标轨迹
5 0 3 4 5 6 7 8 9 10
7
研究内容规划
提升发电量
17
最优模态自适应算法
空 气 密 度 —风 能 利 用 系 数 关 系 曲 线 0.482 0.481 0.48 0.479 5.8 5.6 5.4 5.2 5 x 10
5
空 气 密 度 —发 电 功 率 关 系 曲 线
风 能 利 用 系 数 Cp
0.478 0.477 0.476 0.475 0.474 0.473 1
1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 时间 x 10
4
桨距角
50
变桨PID控制器Kc=2
1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 时间 桨距角
1.95 x 10
4
20
40 30
10


20
0 1.65 1.7 1.75 时间 1.8 1.85 1.9 x 10
部分主控系统控制算法落后，未能充分利用风能发电， 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） ；

0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 时间
1.2
1.4
1.6
1.8
20
x 10
2
4
风速 40
wind
20 0 -20
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 时间 Cp
1.2
1.4
1.6
1.8 x 10
2
4
0.4
cp
0.2 0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 时间 转矩
1.2
1.4
1.6
1.8 x 10
2
4
10000
Tg
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
wind speed 30 20 10 0 -10
wind speed
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 时间 转速
1.2
1.4
1.6
1.8 x 10
2
4
2000 1800
0
1000
2000
3000
4000 时间
5000
6000
7000
8000
16
最优模态自适应算法
T
Z3 g
5
Kopt
2 g
K opt 0.5R C p ( , )
1 n
3 3
pT0 0 p0T
0 1.225 kg / m 3
p0 101 .33kPa T0 273 K
omeg
1600 1400 1200 1000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 时间 转矩 8000 6000 4000 2000 0 1.2 1.4 1.6 1.8 x 10 2
4
tg
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 时间 桨距角
1.2
1.4
1.6
1.8 x 10
2
4
40 30 20 10 0
11
Simulink 风Байду номын сангаас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）
(a)-风 速 (m/s) 10
wind
5 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 时间 (b)-发 电 机 转 速 (r/min) 6000 7000 8000
2000
发电机最大转矩 低速PI恒转速设 发电机额定转速 定 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 计值 化幅值 差 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
2）传动链模型（假定传动链为刚性连接）：
d g 2 nTg Tr ( J r n J g ) dt d g 2 Tr ( J r n J g ) dt g nr
3)变桨模型
1 demand s 1
4）发电机模型（发电机的惯性远远小于风轮）： Pg Tg g
双PI（比例积分）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
控制参数温度自适应修 正算法开发
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
降低噪声
风机低噪声运行模式 控制策略设计
独立变桨控制
风速 20
wind
15 10 5
1.42
1.44
1.46 时间 Cp
1.48
1.5
1.52 x 10
4
0.4
cp
0.2 0
1.42
1.44
1.46 时间 转矩
1.48
1.5
1.52 x 10
4
8000
Tg
6000
4000
1.42
1.44
1.46 时间 桨距角
1.48
1.5
1.52 x 10
4
6 4 2 0 -2 -4
5000
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 时间 桨距角
1.2
1.4
1.6
1.8 x 10
2
4
40
Pitch
20
0
0 x 10
6
0.2
0.4
0.6
0.8
1 时间 功率
1.2
1.4
1.6
1.8 x 10
2
4
2
Power
1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 时间
1.2
1.4
1.6
1.8
21 2
x 10
4
额定风速附近，变桨控制 与转矩控制频繁切换问题
1700
1.65
1.7
1.75 时间 转矩
1.8
1.85
1.9 x 10
4
1.5
1.55
1.6
1.65
1.7 时间 转矩
1.75
1.8
1.85
1.9
1.95 x 10
4
8000 7500
tg
8000 6000 4000 2000 0
7000 6500 6000
tg
1.65
变桨PID控制器Kc=0.02
4
10 0 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 时间 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 x 10
4
23
仿真中使用风机的基本参数
额定功率 1.5MW 发电机转动惯量 78Kgm^2 发电机功率调节 时间常数 0.04s 风轮半径 41m 风轮转动惯量 5775878 Kgm^2 最佳Cp设计值 0.48 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
Pitch
1.42 x 10
6
1.44
1.46 时间 功率
1.48
1.5
1.52 x 10
4
2
Power
1.5 1 0.5
22
1.42 1.44 1.46 时间 1.48 1.5 1.52
4
控制器参数设计（调试）问题
wind speed 25 20
wind speed
wind speed 25 20 15 10 5
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。 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 3 快解决。
讨论问题
主动阻尼控制，关键是带通滤波器设计
Gdtd 2s K 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。 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。
增大额定发电功率的设定值（存在安全隐患）；
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
Cp系 数 0.5
0.45
0.4
Cp
Cp值大约提高0.003-0.005
0.35
0.3
0.25
0
1000
2000
3000
4000 时间
5000
6000
7000
8000
15
双PI控制策略（与查表法仿真对比）
16 14 12 10 x 10
5
功 率 (w)
Power
8 6 4 2 0
功率大约提升15kW-30kW, 占额定功率1%-2%
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；
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。
Omegag
1000 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 时间 (c)-发 电 机 转 矩 (Nm) 6000 7000 8000
10000
Torqueg
5000 0 0 1000 2000 3000 4000 时间 5000 6000 7000 8000
14
双PI控制策略（与查表法仿真对比）
9
风电机组简单模型
1）风轮模型：
风轮吸收功率 Pr c p ( , ) 最佳风能吸收系数
c p ( , ) c1 (
1
R
2
v3
c2
i
c3 c4 )e i c6
c5
1 0.035 3 i 0.08 1
10
风电机组简单模型
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）, 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 的内容 25
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
6
双馈风电机组的基本控制策略
转矩 Z4 Z1 Z2 Z3 ABCD—双PI控制 AEFD—查表法控制 F Z5 D
风机转速达到并网要求，恒 转速运行（AB段）
C
x 10 15
wind speed
15 10 5
1.65
1.7
1.75 时间 转速
1.8
1.85
1.9 x 10
4
0
1.5
1.55
1.6
1.65
1.7 时间 转速
1.75
1.8
1.85
1.9
1.95 x 10
4
2200 2100
omeg omeg
3000 2500 2000 1500
2000 1900 1800
1000
8
初步构成了双馈风电机组控制策略的研究框架
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； 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。