变速与变桨距控制实现减载运行的机理解析

减载系数τ表示机组在任何工况下通过减载控制使风电机组输出的有功功率为可持续输出最大功率值的1－τ，即减载后风电机组输出有功功率与风速的关系函数Pdeload（v）与最大风能追踪控制中的风电机组输出有功功率与风速的关系函数PMPPT（v）关系如式（6－2）所示：

1.变速控制实现减载运行的机理

变速控制是通过控制转子侧交流励磁改变电磁功率输出，从而改变风电机组的电磁转矩和机械转矩的平衡关系来实现的。在实现减小功率输出的同时控制机组的转速，从而进一步影响风力机的风能利用系数，所以虽然变速控制是通过转子侧变换器的功率控制实现的，但也可以间接调节风力机输出的机械功率。变速控制实现减载的原理是将不同风速下的机械功率与转速关系曲线偏离最大风能追踪控制的运行曲线，从而可以在需要风电机组多发功率支持频率稳定时，逐渐向最大风能曲线靠近，实现增大电磁功率输出参与调频的持续性。变速控制的原理如图6－10所示。

图6-10　变速控制的运行曲线示意图

虽然将风力机最大风能追踪控制模式的空气动力学曲线向右或向左移动都可以达到减载的效果，但是只有将运行曲线向右移动即超速减载才能保证机组在干扰下的稳定性以及在增大电磁功率输出时可以使风力机捕获更多的风能。当频率下跌需要机组提供额外的有功功率支持时，由能量守恒定律可知在风力机捕获风能不变的情况下势必会导致系统的旋转动能减小、转速下降，即从图6－10中的A2 B2向A1 B1运动，此时在超速减载情况下会导致风力机捕获风能的增加，从而增加机组的输入机械功率来支持有功功率的超发；反之亦然，减速减载只会导致捕获风能的下降形成了转速下降的正反馈，最后导致系统的停机。

从图6－10也可以看出，与最大风能控制中在B1点当风速达到v2时采用变桨距控制不同，由于向右移动了运行曲线，所以超速减载控制中在B2点即风速达到小于v2的v′2时就启用了变桨距控制保证转速安全，否则在最大风能跟踪区只采用变速减载控制会使风力机转速过高威胁机组安全，也说明超速减载只适合在最大风能跟踪区使用，v′2的大小与减载系数τ有关，在实际参与调频的控制中还与频率工况有关。需要特别说明的是，在最大风能追踪控制中，由于存在最优叶尖速比和最大风能利用系数，所以存在线性关系，可以得到不同风速下的机组转子转速参考值或根据实时转速确定输出电磁功率的参考值，但在减载运行中由于减载系数的不同，风速、转速与稳态输出有功功率之间不存在这种明确的直接关系，相互之间的关系是非线性的，难以实时计算某些控制量的参考值。

利用超速法实现风电机组的减载运行后，忽略各种损耗以及假设风速不变时，系统发生频率跌落后单台风电机组在转速逐渐下降过程中可向电力系统安全注入的备用能量ΔEdeload如式（6－3）表示：

式中，ωopt为机组实现最优叶尖速比的风力机最优转速；ωdeload为减载后的风力机转速；ton和toff分别代表注入备用能量时转速变化的开始时刻及转速达到最优转速的时间；Pw（t）为风力机输出机械功率随时间变化的函数；PMPPT（ton）代表机组在ton时刻如果采用最大风能跟踪控制输出的机械功率，同时也是当风力机转速为ωopt时输出的机械功率。(www.xing528.com)

从式（6－3）可以看出，机组的有功备用包含两部分，一是由于转速变化引起的机组动能变化ΔED，二是由于转速降低导致捕获风能功率上升所增加的能量ΔEP，所以如果考虑长时间地实现风电机组的有功功率支撑，特别是系统功率缺额较大时转速不应低于最优转速ωopt，因为当转速低于ωopt时虽然会一次性地增加ΔED，但与转速保持ωopt相比会减小ΔEP，时间越长减小得越多，并且转速不低于最优转速还有利于系统避免进入转速跌落的正反馈过程，从而有利于保证转速安全。

2.变桨距控制实现减载运行的机理

变桨距减载方式是通过增大桨距角使风力机捕获的能量减小，频率发生变化时可以减小或增大桨距角直接实现增大风力机输出或进一步减载的效果。虽然独立使用变桨距控制也可以实现全风速下的减载运行，但频繁改变桨距角操作大惯性的叶片会加剧风力机的机械磨损，减少了风力机变桨轴承机构的使用寿命以及增加检修成本，所以在低风速下转速满足安全要求时只使用控制速度更快的变速控制实现减载更具有成本优势。本书以恒转速以及恒功率区为例，研究在维持额定转速不变时变桨距控制实现减载运行的机理。

图6－11所示为在恒功率区四个不同桨距角β1、β2、β3、β4且β1＜β2＜β3＜β4下，风力机输出机械功率随转速变化的曲线簇。从图6－11可以看出，若转速相同，随着桨距角的增大风力机输出的机械功率降低。以转速为额定转速ωon为例，桨距角β1、β2、β3、β4逐渐增大，但对应风力机输出的机械功率P1、P2、P3、P4逐渐减小。所以通过桨距角控制可以直接改变风力机捕获的风能，通过增大桨距角就可以直接实现风电机组的减载运行，当频率下跌需要风电机组提高有功功率输出时，适当减小桨距角就可以保证风电机组的功率平衡，保证机组的转速安全；反之，当频率上升时需要机组进一步减载时适当增加桨距角即可保证转速不超过安全值。

图6-11　同一风速下不同桨距角对风力机输出机械功率的影响

同样，忽略各种损耗以及假设风速不变时，利用变桨距法实现风电机组的减载运行后机组获得的备用能量ΔEdeload如式（6－4）所示：

式中，ton和toff分别代表注入备用能量开始时刻及结束时刻；Pw（t）是桨距角减小过程中风力机输出机械功率的时间函数；PMPPT（ton）代表机组在ton时刻采用最大风能跟踪控制输出的机械功率；τ为减载系数。

由于启用变桨距减载多数发生在恒转速或恒功率区，为了尽可能地提高风能利用系数，通常维持机组转速在额定转速，所以利用变桨距法得到的能量备用中只有由于桨距角降低导致捕获风能功率上升所增加的能量。