基于协调控制的全风况减载方案设计优化

为了结合超速减载法和变桨距减载法的优点，本书提出了一种结合这两种减载方法的协调减载控制策略，该策略可以实现在转速低于额定转速时优先使用超速法实现减载运行以实现最快的响应速度，在使用超速法后转速达到额定值，只依靠超速法无法满足减载运行需求时再使用变桨距法调节风力机捕获的风能，在保证机组转速保持在额定转速的前提下实现对减载的控制，从而实现在全风况下风电机组的安全减载运行。所提减载控制策略中包括对定子侧输出有功功率和桨距角的控制。

1.减载控制策略中定子侧输出有功功率的控制方案

本书所提减载策略中对定子侧有功功率的控制框图如图6－12所示。

图6-12　减载策略中定子侧有功功率的控制框图

为了避免利用空气动力学等确定的功率函数实时计算桨距角和转速参考值的复杂和鲁棒性差的缺点，本书的定子侧有功功率控制器的设计是根据风力机的空气动力学模型特点，通过控制发电机输出的有功功率改变机组的转矩平衡关系，从而达到控制风力机捕获风能的效果。风电机组出厂后风力机的风速－最大功率－最优转速数据通过实际测量已经获得，则可以通过实时测量的风速v以及v－Pmax查询表确定风电机组实时的最优输出电磁功率Pmax，再乘以实现减载运行的系数1－τ就可以得到初步的减载后有功功率参考值Pde。由图6－10可知，如果以Pde作为最终的输出电磁功率参考值Peref，在风速测量无较大偏差以及系统无较大扰动时，在风速较低时风电机组只根据功率控制即可自动调节寻找机械功率－转速曲线上的稳态点。但在风速较低桨距角控制不起作用时，如果由于风速测量误差导致系统测量的风速远高于真实风速或存在其他扰动情况，导致在控制过程中的运行点设定在最大风能追踪控制曲线的左边，机组输出的有功功率会一直大于风力机输出的机械功率，导致的转速下降会加剧这种功率差值，最终会导致转速过低而停机，所以为了保证在不启用桨距角控制时风力机不会运行在最大风能追踪曲线的左侧，在机组有功功率的控制环节还加入了辅助转速保护控制器和转速保护模式选择器。

转速保护模式选择器根据桨距角控制器的桨距角参考值βref与其最小值βmin＝0的关系，选择是否利用辅助转速保护控制器计算的功率修订值作为Pvp的取值。当βref＝βmin即说明桨距角控制已经没有进一步增强风力机捕获风能的能力，Pvp则通过查表所得的最优转速ωopt与风力机实际转速ωmech的差值经过特殊的PI控制器得到，用于减小机组有功功率的输出来保护转速安全，PI控制器中的积分环节累计值以及最终输出值被限制为0，保证了在正常超速运行的情况下Pvp＝Pmin＝0不会影响减载运行。当βref＞βmin时说明风电机组的桨距角控制器可以利用减小桨距角参考值的手段增加风力机捕获的风能来避免转速过低，此时通过转速保护模式选择器作用就屏蔽了辅助转速保护控制器对功率参考值的影响，即Pvp＝0。(www.xing528.com)

经过减载控制器、辅助转速保护控制器以及转速保护模式选择器的作用最终得到可以实现风电机组减载运行的机组输出电磁功率的参考值Peref＝Pde－Pvp。由于在转子侧变换器的控制中采取的是定子输出有功功率的闭环控制，所以需要利用风电机组的电磁功率Pe与定子输出的有功功率Ps以及转差率s之间的关系构造用于转子侧变换器控制的定子侧输出有功功率的参考值Psref。

2.减载策略中桨距角的控制方案

在最大风能跟踪区的部分风速下，超速减载运行后的机组转速可以满足安全要求，但当风速上升或需要进一步减载时，转速的进一步升高就可能会超过转速安全值从而威胁到机组安全，此时为了机组的转速安全需要启用桨距角控制来限制输入的机械功率将机组转速维持在额定值。同时，桨距角控制器在机组转速在安全运行范围时，要保持定桨距状态使桨距角为最小值以保证较高的风能捕获功率。减载策略中桨距角控制器的控制框图如图6－13所示。

图6-13　减载策略中桨距角控制器的控制框图

当机组转速低于额定值时，由于PI控制器中的积分环节累计值以及最终输出被限制为βmin，所以计算出的控制参考值βref＝βmin＝0，这样就允许风力机可以获得最高的风能利用系数。当转速超过额定转速时，PI控制器会根据实际转速ωmech与额定转速ωon的差值来调节桨距角，控制转速维持在额定转速，当风速下降或频率下降需要机组提高有功功率输出时，由于实际转速ωmech的下降βref也会下降来提高风力机捕获的风能，直至机组达到新的功率平衡。