风电机组的变桨距控制技术研究

石翰林

摘要：由于风电机组的特殊性，我国风电机组多位于干旱荒漠地区、高山地区、近海地区，近几年已开始向深海区发展。风电机组的正常运行在恶劣的环境因素中面临着严峻考验，一些不利的环境因素都会对风电机组正常运行带来不同程度的负面影响，如风沙侵袭、雷电袭击、曝晒冷冻、盐碱侵蚀等。由于风具有空间的不均匀性和时间的非定常性，加上风电机组本身制造工艺和结构的特殊性，极易导致风力发电机组发生多种电气或机械故障。随着风力发电机组运行时间的不断增长，风机主控系统、齿轮箱、变桨系统、叶片、塔架等均可能陆续出现各类故障，如不及时处理解决，将会严重缩短风电机组使用寿命。因此，必须采取有效的措施及时对风电机组进行检修维护。

关键词：风电机组；变桨距控制技术；要点

引言

全球气候变化严重影响到人类生存环境，在此背景下，风电作为清洁的可再生能源，受到了世界各国的高度重视并得到快速发展，截至2020年底，我国风电装机规模达2.81亿kW。但由于工期紧、规模大等原因，导致风电机组投运后存在能效偏低、发电效益差等问题，因此如何提升风电机组能效对促进风电行业发展具有重要的影响。

1风电机组基本结构说明

风电机组是利用风能带动叶轮转动，在动力装置的加速下，使得风电机组的发电机高速旋转从而产生电力。根据风轮轴线的方位，可以将其划分为水平轴向机组和垂直轴向机组两种类型。目前风电机组主要采用水平轴向机组，包括双馈式风电机组、直驱式永磁风电机组、半直驱风电机组。在现有的风机类型中，多为双馈式风电机组，其结构由叶轮、发电机、齿轮箱、变桨系统、制动系统、控制柜、机舱、塔架等构成。

2风电机组的变桨距控制现状

针对风电机组的实际工况需求，国产风电机组主控系统有其自身的特殊性：首先硬件层面，要面对雷暴、雨雪、凝冻等极端恶劣天气，同时风电机组内要充分考虑剧烈的振动工况、强电磁干扰等复杂环境，这对风电机组主控系统硬件要求比常规工控系统要高得多；软件层面，风电机组要完成完全的自动控制，主控系统要和变桨系统、变频器协同工作，实现在较低风速下的最大风能捕获、在中等风速下的定转速以及在较大风速下的恒频或恒功率运行，需要做大量的设计开发和测试工作。面对我国国产软、硬件生态尚未成熟的现状，实现国产自主可控风电机组主控系统，主要需要解决以下问题：1）风电机组对PLC产品的可靠性、处理能力、数据同步性要求较高的问题。2）国产软硬件在风电机组存在的恶劣环境下适配性问题。3）基于国产芯片及国产嵌入式操作系统主控系统的风电机组安全可靠及性能提升需求。

3风电机组的变桨距控制技术

3.1风电机组日常维护维护内容及要求

除常规检修之外，风机设备在日常运行中遇到的各类问题要尽快处理，避免对风力发电设备的正常运转造成不利的影响，排除故障后，运维人员还要结合故障特点，有针对性地进行日常维修工作。如检查塔筒门上的通风口是否正常，是否需要更换滤棉；逐一排查监控柜内部装置是否正常运转，有无放电或其它杂音；风机夹板和电缆是否存在松动、偏移现象；检查灭火器支架结构是否正常，灭火器是否在有效使用期内；检查助爬器或免爬器功能及安全装置是否完好，紧急逃生装置是否正常；检查急救箱内物品是否完整，药品是否过期等。在完成日常维护工作后，运行维护人员还要及时清理风电机组内部杂物，擦拭液压站的接口部位，确保风电机组干净、整洁。

3.2变桨控制优化

（1）在功率输出环节，转矩给定中增加传动链阻尼，减小传动链震荡；变桨角度控制环节，添加非线性变桨动作，防止大阵风时候的过速情况，延长风机寿命。（2）风速桨距角控制策略。多台风机在未到额定功率时，变桨过早动作，使风机额定风速变大，可考虑调整控制策略，取消根据风速大小给定桨距角的控制方法，采用双PI进行转矩及桨距角的控制。本文通过分析偏航、变桨等控制性能，分析风电机组能效偏低的原因，并给出了针对性优化方案，实际应用过程中还应结合技改成本及效益进行选择。

3.3多机协同运行控制

当前针对电压源型构网风电机组的研究主要仍聚焦于单机方面的控制和稳定性分析，不同于大容量同步机组，风电单机容量小，机组数量多，在多机协同，特别是区域内机组采用多种控制方案时，可能面临新的挑战。例如，常规同步机组在电网中通常表现为PV节点，负责支撑某一区域电网电压，而在大规模风电并网系统中，当区内存在大量电压源型构网风电机组时，系统内的潮流分布、惯量匹配和静/动态电压稳定等特性均需要进一步分析。此外，现有风电机组均采用电流源型跟网控制，当系统内存在直驱、双馈、电流源、电压源等不同类型、不同控制形式的风电机组时，系统的响应特性尚不明确，稳定机理尚不清晰，是否需要更先进的通信技术和控制策略，也仍是尚待研究的开放问题。

3.4柔性直流并网风电的电网频率支撑控制

对于远海风电场，由于交流海缆的充电效应，采用柔性直流送出并网更具经济性。但此时由于柔直系统的隔离作用，风电机组无法感知到电网频率，从而提供惯量响应，需要将电网频率传递到风电机组中。电网频率经通信传递至风电机组，辅助风电场进行电网频率响应。提出采用直流电压幅值取代通信手段来传递电网频率信息至送端换流器，送端换流器从直流电压中提取电网频率信息并映射到风电场交流频率上。但上述策略均是在电流源型控制的基础上改进而来，依赖于锁相环对电网频率的检测，属于非自主响应，并且在弱电网条件下容易诱发稳定性问题。提出了基于自同步电压源型控制的电网频率镜像策略，与风电机组受端换流器的自同步电压源型控制类似，受端换流器直流母线等效电容被类比为同步发电机的转子，直流电压幅值将如同同步发电机的转子转速一样，与电网频率保持同步，无需锁相环及其他额外控制环路即可将电网频率波动自动映射到直流电压上，再通过送端换流器镜像到风电场交流频率上。此时风电机组通过感知风电场交流汇集网络的频率即可实现对电网频率的感知，进而提供惯量响应与频率调节等功能。

结束语

随着新能源发电设备大规模并网并替代常规发电机组，电网的频率/电压支撑水平逐渐降低，系统强度逐步减弱。电压源型构网风电机组具备良好的弱电网适应能力和致稳能力，并可提升系统等效惯量水平、主动建立和支撑电网电压、支持孤岛运行和黑启动，十分符合新型电力系统对新能源的主体电源角色定位和并网要求，有望在未来电网的安全稳定运行中发挥重要作用。

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