1、 年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:马文海男工程师主要研究方向为风电机组电控系统的国产化改造与应用工程技术推广海上风机双模式运行控制策略的半实物仿真研究马文海兰 兵张 毅(上海中广核工程科技有限公司上海)摘要:发电效率是风电机组最重要的性能机组传动链的不同形式是导致发电效率差异的主要因素 直驱全功率系统和双馈系统在不同风速阶段各具优势某些近海风电场可对双馈系统风机进行类似于全功率的控制使其在全风速过程中均能表现出较高的发电效率 本文对这种双模式运行控制原理进行简单的概述并基于半实物仿真平台验证了风机双模式运行控制策略的实际效果关键词:双模式双馈系统全功率系统半实物
2、仿真海上风电中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:近海区域风资源好海上风机除去叶片捕获能量效率的高低和智能控制策略的优劣机组传动链的不同形式也是导致不同发电系统发电效率有区别的重要因素 一般来说直驱系统风机在低功率运行状态时效率高双馈风机在高功率运行状态时效率高基于两种类型风机在不同风速阶段表现出的各自优势可以对两种控制方式在双馈风机上进行不同风速阶段下的控制策略整合使其表现出兼顾直驱全功率和双馈风机优势这种双模式运行控制的效果可在半实物仿真平台上进行硬件在环仿真验证 双模式控制.技术路线双馈式风机在低风速阶段为使风轮获得最佳的叶尖速比理论上需要控制风轮转速随风速下降而下降而随着风
3、机转速降低转差变大转子端开口电压会升高而过高的转子端电压会导致变流器报过压故障为确保风机不脱网在低风速段双馈风机大都采用恒定转速模式运行放弃最优的风能捕获效率 双馈和全功率控制模式在机组额定功率的不同阶段所具有的发电效率如图 所示为解决双馈式风机这种受转差控制影响的固有缺陷可以借鉴直驱风机控制特点对双馈风机在低风速阶段进行类似全功率控制方式的改进使其继续保持高风速阶段时的系统效率又兼具在低风速阶段时的全功率控制的高效率.双模式运行风机发电功率与风速的三次方成正比低风速时机组发电功率低与转差容量相当的变流器可以满足马文海等:海上风机双模式运行控制策略的半实物仿真研究 年 月图 传动链及发电效率全
4、功率运行模式的变换由于双馈发电机定子通过并网接触器与电网直接相连转子通过变流器与电网连接最优的全功率变换方案是在低风速时将电机定子接触器与电网断开并通过变流器内与之并联的接触器短接转子回路一侧仍与电网连接改变主控控制模式为全功率控制 双馈风机定子和转子绕组均为三相对称绕组短接定子绕组后双馈发电机即变为普通的异步发电机如图 所示在高风速时并网接触器 闭合定子绕组与电网连接风机进入双馈控制模式(转差功率控制)进入低风速时 断开接触器 闭合短接发电机定子绕组风机可进入全功率控制模式图 双模式运行主回路配合主回路的改造主控系统需要根据风速变化来进行双馈和全功率控制模式的切换并对风机的变桨和变流系统分别
5、给出对应控制指令 双模式运行模式由主控系统负责控制切换主控需要在通讯协议里面增加双馈 全功率双模式运行模式控制指令对原有控制协议进行改动增加双馈 全功率双模式运行模式后变流器启停机指令保持不变 主控控制变流器运行模式切换仅需要切换双馈 异步双模式运行模式控制指令即可其他逻辑控制指令无需改变变流系统的运行时序如图 所示图 变流系统运行模式切换时序变流器系统控制定子并网开关脱网并将定子绕组短接同时软件切换至全功率控制模式运行变桨系统同时也切换至全功率模式下运行 仿真测试双模式运行控制方式的实际效果可在实验室里借助风机硬件在环半实物平台进行仿真验证.平台组成风电机组硬件在环仿真测试平台(如图)由仿真
6、模型主机(运行 模型)、高速硬件/设备主机、系统监控设备、配电系统、接线装置和通讯装置等组成采用真实的信号和通讯线缆与风机主控制器相连通过数据实时传输与处理数据实时显示、数据存储分析等功能组件与风机 主控系统组成实时在环仿真测试系统(如图).双模式控制流程当风机控制策略具备双模式控制运行方式时风机主控可根据风速状况选择是异步运行还是双馈运行方式在低风速和高风速时切换不同的传动链拓扑形式配合双模式切换控制算法依据风场湍流强度等动态风况特征实时计算切换阈值并调整切换模式实现风能的最优捕获 控制流程如图 所示.仿真条件通过重载连接器连接主控 和测试平台的硬接线和通讯线缆把编译好的双模控制风机程序下装
7、到 在风机 仿真软件平台设置好仿真参数如表 启动仿真测试流程水 电 与 新 能 源 年第 期图 半实物仿真平台组成图 测试接线逻辑.仿真结果在仿真风速./时测试平台得到的仿真结果如图 所示 可以看出在./的低风速时段风机从最初的双馈运行模式切换到全功率运行模式时红色曲线表示的发电机转速和蓝色线表示的低速轴转速均开始降低而此时黑色线代表的发电功率出现一定程度的提升 根据步长设置在其他风速下测得的仿真结果与之类似此节不再一一赘述马文海等:海上风机双模式运行控制策略的半实物仿真研究 年 月图 双模式控制切换流程表 仿真设置参数空气密度/().版本.启机风速/().双模式切换时间/仿真风速/().仿真
8、步长/().仿真时长/湍流强度/图 仿真风速./时双馈到全功率转换仿真结果 结 语通过各湍流风速下的仿真数据来看在低风速时风电机组的双模式控制策略能够实现在各个低风速工况下的双模式正常切换 且当风速较小时使得机组能够较长时间的运行在全功率模式 当风速较大时可稳定运行在双馈模式 当风机前状态运行在全功率模式时可实现风机的输出功率限制若风速持续增大风机切换到双馈模式运行模式切换过程中转速上升波动在允许范围内 并且可明显看到在低风速阶段风机由双馈模式切换到全功率模式运行时风机的发电功率得到明显提升当风机前状态运行在双馈模式风速下降时风机限定在最小稳态转速运行若风速持续走低风机功率达到一定限值风机切换
9、到全功率模式运行 前后两种状态模式的切换过程中风机功率、转速波动情况均在允许范围内需要单独指出的一点是虽然“双馈 全功率”的双模式运行控制策略的仿真结果与预期基本一致但在实际的海上风机工程项目中变流器的双模式切换拓扑结构的稳定性、切换过程中发生电网故障时风机保护机制的有效性以及塔筒共振转速的规避等方面均是要进行关键评估并重点考虑的问题要根据实际的现场测试情况在风机主控算法程序中予以体现以确保双模式运行能够在切实提高风机发电效率的同时不会影响风机运行的稳定性参考文献:邵桂萍 李建林 赵斌 等.兆瓦级变速恒频风电机组变速控制策略的研究.太阳能学报 ():叶杭冶.风力发电机组的控制技术.北京:机械工业出版社 刘其辉 贺益康 赵仁德.变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制.电力系统自动化 ():李金鹏.基于 控制的风电机组物理实验平台研究与设计.北京:华北电力大学/风力发电机组主控系统测试规程