基于降载策略的机组增效协同控制技术开发及应用.pdfVIP

【摘要】本文通过采用先进的风电机组主控控制技术和场级协同控制策

略，使风电机组单机发电性能得到大幅度提升，从而实现全场发电量提升。同时，

利用独立变桨技术、柔性变桨技术、虚拟阻尼控制技术、机组载荷在线监测技术

等，大大降低机组疲劳载荷，延长机组寿命，使风电机组生命周期内的发电量得

到提升。

【关键词】风电机组降载策略协同控制

近年来我国新能源产业蓬勃发展，风电机组装机容量占比逐渐增加，

风电机组上网电价也从早期的补贴电价逐渐过渡到平价，风电业主企业对

于机组健康、高效运行更加关注。通过对在役机组进行技改可以提高机组

发电性能，提高发电量，例如采取增加叶片长度，适当增大发电机容量等

措施。但是这些措施在提升发电量的同时也大幅增加了机组的载荷，对于

机组的安全运行带来隐患。另一方面，早期的风电机组控制技术、控制算

法和控制策略逻辑比较简单，在机组载荷控制方面效果欠佳，导致机组疲

劳载荷过大。随着机组服役时间增长，机组疲劳载荷增加，也给机组安全

运行带来很大的安全隐患，可能出现叶片折断，传动链轴系和齿轮系失效，

塔筒螺栓失效等问题，严重的则可能导致机组倒塔。

随着风电机组控制技术的发展，一些先进的主控控制技术在提高机组

发电性能、降低机组载荷、增强机组安全保护逻辑等方面已明显优于早期

的控制技术。本文将在基于降低机组载荷的基础上，通过先进的风电机组

主控控制技术和场级协同控制策略，使风电机组单机发电性能得到大幅度

提升，从而实现全场发电量提升。同时采用独立变桨技术，柔性变桨技术，

虚拟阻尼控制技术，机组载荷在线监测技术等先进技术，大大降低机组疲

劳载荷，延长机组寿命，使风电机组生命周期内的发电量的得到提升。

1建立机组精细仿真模型与风电场仿真模型

根据风电机组多体动力学模型和实际机组的部件和结构数据，采用

Bladed仿真软件和matlab/simulink软件建立机组的精细多体动力学模型

和线性化模型，用于机组模型分析，控制算法设计，主控软件在环仿真，

机组载荷计算与评估。采用matlab/simulink建立含机组、集电线路和风

的风场模型，用于场级协同控制技术研究开发。

2变速变桨控制策略研究

基于机组线性化模型，运用现代控制理论和经典控制理论和方法，设

计机组变速变桨控制策略算法，实现转速和功率的稳定控制，并同时进行

最大功率跟踪。

3小风变桨控制技术

风机叶轮效率在不同的风速段有着不同的特性，以某种1.5MW机型为

例：根据叶片气动数据，风速为5m/s～8.5m/s，风机运行在最佳叶尖速比

附近，桨角控制在风机最优桨角，如图1区的0度风速在3m/s～5m/s，风

机运行在B区，非最佳叶尖速比附件，B区间风机最佳桨角并非为0度，1

度～3度的发电效率反而要高。采取小风变桨技术，采集风机的实时转速和

功率，可计算出风机的低风状态，从而自适应调整当前的最佳桨角。弱风

条件下可提升发电量2%～4%。

图1：风轮最佳桨角特性曲线

图2：不同风速段变桨运行位置

4动态转矩增益跟踪技术

当前兆瓦机风电机组都是变速控制以跟踪MPPT，早期变速控制中转矩

采用查表法，当前主流为转矩最优控制，如图3所示。

图3：变速变桨风机转速-转矩

转矩最优控制较查表控制延长了最佳叶尖速比跟踪风速段，在低风速

段和额定风速附近较转矩查表控制明显功率提升。

转矩最优控制增益如下公式

可见，最优转矩系数k与空气密度ρ相关，动态转矩增益控制技术采用

空气密度补偿环节，通过空气密度传感器实时获取机组当前的空气密度，

实时修正转矩增益k，使控制算法参数得到自适应优化，达到与当前空气密

度匹配最优，大大提高了机组的发电量，特别是在夏季和冬季效果更佳。

5偏航自适应控制技术

大型兆瓦机组都是主动偏航对风策略，不管是机械还是超声波的风向

仪，在安装和矫正时都会有一些偏差，而主控系统控制机组居中对风，实

际上会由于该偏差导致机组发电性能下降，如图4统计不同对风角度的功

率数据和发电功率曲线性能，将发现最佳发电性能处并不在偏航对风