风力发电机组控制技术综述及展望

综述SURVEY电气自动化2O10年第32卷第5期风力发电机组控制技术综述及展望李鹏宋永端刘卫孙黎翔秦明1北京交通大学智能系统及再生能源研究中心，北京100044；2国电联合动力技术有限公司风电技术研究所，北京100044摘要风力发电机组的控制技术是风电系统产品研发和设计的关键。针对风电机组复杂非线性动力学特性，综述了国内外控制技术的研究进展，从风电机组控制系统基本结构、机组分类及特点、动力学特性、控制目标及常见控制算法方面进行了归纳分析，并探讨了未来风电控制技术混合驱动、载荷评估的发展趋势，以及自主容错、自维持运行的新思路。关键词风电机组动力学控制系统自维持运行【中图分类号】TM614【文献标识码A文章编号】10003886201005000105OVERVIEWANDPROSPECTOFWINDTURBINECONTROLTECHNOLOGIESLIPENGSONGYONGDUANLIUWEISUNLIXIANGZQINGMING11NTELLIGENTSTEMRENEWABLEENERGYRESEARCHCENTRE，BEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY，BELTING100044，CHINA2CHINAGUODIANCOMBINEDPOWERTECHNOLOGYCO，LTD，WINDPOWERTECHNOLOGYIRTITUTEBEIJING100044，CHINAABSTRACTTHECONTROLTECHNOLOGIESFORWINDTURBINESAREOFGREATIMPOAANCETOSYSTEMDESIGNANDPRODUCTDEVELOPMENTFIRSTLY，THEPROGRESSANDSTATUSOFWINDTURBINECONTROLTECHNOLOGIESAREOVERVIEWEDTHEN，THEBASIESTRUCTUREOFCONTROLSYSTEM，WINDTURBINECLASSIFICATIONANDCHARACTERISTICS，WINDDYNAMICS，CONTROLOBJECTIVESANDTYPICALCONTROLALGORITHMSAREANALYZEDFINALLY，TILETRENDFORDEVELOPINGHYBRIDDRIVENWINDTURBINESANDLOADINGCONDITIONEVALUATIONISPREDICTEDSCHEMEAREALSODISCUSSEDKEYWORDSWINDTURBINESDYNAMICSCONTROLSYSTEMSE1F_SUSTAJNABILITYOPERATION0引言风电是当前开发速度最快的可再生能源。根据欧洲风能协会关于2020年风电达到世界电力总量的12的蓝图报告，期望并预测2020年全球风电装机容量将达1231亿千瓦。中国风能资源丰富，近十年来风电技术快速发展。按照国家中长期科学和技术发展规划纲要20062020年规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦，尤其对“可再生能源低成本规模化开发利用”和“超大规模输配电和电网安全保障”提出迫切需求。风力发电技术要解决的一个基本问题是在风况可变的情况下，实现可靠、高效、经济的“风能一机械能一电能”的转化和输送。作为风电系统运转的中枢，机组的控制技术是保证整个机组正常、安全、高效运行的基础”圳。本文针对风力发电控制问题，综述了国内外相关技术研究现状，从控制目标、算法、前景等方面进行了分析，并展望了未来风电控制技术发展的几个趋势。1风电机组控制系统概述11风电机组控制系统构成图1为风电机组控制系统示意图。系统本体由“空气动力学系统”、“发电机系统”、“变流系统”及其附属结构组成；电控系统总体控制由“变桨控制”、“偏航控制”、“变流控制”等主模块组成此外还有“通讯、监控、健康管理”等辅助模块。各种控制及测量信号在机组本体系统与电控系统之间交互。空气动力系统发电机系统变流系统电控系统图1风电机组控制系统示意图“变桨控制系统”负责空气动力系统的“桨距”控制，其成本一般不超过整个机组价格5，但对最大化风能转换、功率稳定输出及机组安全保护至关重要，因此是风机控制系统研究重点之一。“偏航控制系统”负责风轮自动对风及机舱自动解缆，一般分主动和被动两种偏航模式，而大型风电机组多采用主动偏航模式。“变流控制系统”通常与变桨距系统配合运行，通过双向变流器对发电机进行矢量或直接转矩控制，独立调节有功功率和无功功率，实现变速恒频运行和最大额定功率控制。12风电机组分类及特点依据不同的机组特性和应用目的，归纳风电机组主要类型及电气自动化2O10年第32卷第5期表1风电机组主要类型及控制系统新特点分类标准机组类型控制系统新特点高可靠性远程监控、容应用地域陆上风电一海上风电错控制发电机类型双馈异步一永磁直驱同步无齿轮箱，大体积电机及驱动系统大型动力学系统的快发电机容量中小型一大型速、精准控制桨距特性定桨距一变桨距复杂结构及智能控制，高效风能转换无蓄电模块，高性能并并网类型离网型一并网型网变流控制综述SURVEY其控制系统新特点如表1所示。1根据“应用地域”分为“陆上风电”和“海上风电”。后者代表着近年来基于新结构新材料的风机大型化应用新趋势。2根据“发电机类型”分为“双馈型”和“直驱型”。前者含齿轮增速箱，电机多采用异步发电机；后者无齿轮增速箱，电机多采用同步发电机。3根据“发电机容量”分为“中小型”和“大型”。后者主要指MW级机组。由于大型机组在相对成本、发电回报率、海上风电应用等方面有较大优势，因此逐渐成为研发重点。4根据“桨距特性”分为“定桨距”和“变桨距”。后者结构和控制方式均相对复杂，但能够更加高效地利用风能并优化输出功率，代表着风电控制的发展趋势。5根据“连接电网类型”分为“离网型”和“并网型”。前者机动性强、制造周期及成本相对较低，但对蓄电池及逆变器技术要求较高；后者则需要高性能变流技术，是现阶段风电机组主流产品。2风电机组动力学特性及控制目标风电机组控制系统设计需紧密结合动力学特性分析来实现。大型风电机组是复杂快变的多变量非线性动力学系统，具有不确定性和多干扰性，因此控制系统设计目标之一即保证风电机组高效、稳定运行，是“优化控制”与“可靠控制”的综合。1风速测量的非精确性获得有效风速的精确值是进行机组状态估计、风速预测和系统控制的关键。然而在实际的风场环境中，受到风速分布不均、紊流、塔影效应、地表粗糙度等因素影响，仅靠风速计难以测得有效风速的精确值。2风电机组的非线性及不稳定性由风电机组建模过程知风轮、电机、电力电子器件等主要模块均呈现非线性特性；功率系数风能利用系数、气动力矩、紊流风速的时间曲线也均为非线性函数。因此，整机特性呈现强非线性，导致风轮动力学不稳定。3控制系统的复杂快变特性从控制系统角度，风电机组是一类具有复杂快变特性的动力学系统，受到随机风速的影响，机组运行工况不确定甚至频繁切换；而气象变化、电网波动、组件老化等干扰因素增加了系统动力学的复杂性，使得控制系统的动态特性及鲁棒性难以保证。控制系统的总体设计目标为对于复杂非线性风机动力学，设计控制器使得闭环系统稳定，实现速度渐近跟踪及功率最大额定输出，并2ELECTRICAIAUTOMATION保证系统运行的安全性和鲁棒性。具体地，可根据风机运行模式划分控制目标ACP恒定模式风速高于切入风速且低于额定风速，控制目标为快速稳定的电机变速控制，以保持最佳叶尖速比，实现风能最大捕获。B转速恒定模式发电机转速达到额定转速，但功率尚未达到额定功率，这期间风速继续增大，CP减小但转矩增大，输出功率继续增至额定值；控制目标为保持转速恒定。C功率恒定模式发电机输出达额定功率，这阶段，随着风速增大，CP值降低，控制目标为结合变桨距调节，实现快速稳定的CP调整，以保证输出功率维持额定值。3风电机组的控制技术31国内外总体研究进展2000年JOURNALOFWINDENGINEERINGANDINDUSTRIALAERODYNAMICS风电特辑对风电机组的建模、控制和监测进行了总结和展望；2008年JOURNALOFSOLARENERGYENGINEERING特辑介绍了机组动力学、载荷计算及变桨控制的研究进展；2009年INTEMATIONALJOURNAL0FROBUSTANDN0NLINEATCONTML特辑着重探讨了风机控制系统设计面临的问题及若干先进控制策略。这些特辑总结了一定时期内国际上风电建模与控制方法的研究现状，概括和展望了未来风电机组控制技术发展的要点。如前所述，根据控制策略针对的组件类型不同，可分为偏航控制、变桨控制、发电机变流控制三类。相对而言，偏航控制研究目的多为安全快速的实现机舱对风及偏差自动校正，现有大多数研究则集中在相对复杂的变桨距、发电机及变流系统的先进控制策略上。下面着重对后两种控制进行综述和分析。32桨距控制方式桨距控制的实质是功率控制。根据功率控制对应的风轮特性不同，可划分为被动控制和主动控制两类。321被动控制“被动失速控制”是最基本的功率控制方式。通过设计特殊的叶片几何形状，使得风电机组在期望的风速下达到最大额定功率。该方式易受到不确定的气动因素影响，导致在额定或更高风速时对功率等级和叶片载荷的估计失误。“被动变桨距控制”是一种新颖的被动功率控制方式。通过设计叶片或叶片轮毂，使其高风速时在叶片载荷作用下被动扭转，获得所需的桨距角。该方式由于叶片扭转量与载荷匹配存在难度，使其难以在并网风机中得到应用。322主动控制“主动变桨距控制”是最常见的变桨距控制方式。在大于额定风速时，通过调整全部叶片统一变桨距或各个独立叶片独立变桨距，减小攻角从而限制功率吸收。为了限制瞬时风能造成的脉动功率影响，通常要求快速而精确动作，这即是研究变桨距控制的主要目的。“主动失速控制”是将被动失速和主动变桨距相结合的技术。低风速时等同于变桨距调节，高于额定风速时将叶片调向失速模式。与主动变桨距控制相比，其对桨距执行机构的调节幅度和速度的要求较低。综述BURVEY33发电机变流器控制方式感应双馈异步电机和永磁直驱同步电机是两类主要的风力发电机。前者定子连接电网，转子连接变流器，无需大功率变流装置；后者无齿轮箱，低转速直接驱动，但需要大功率变流装置。331发电机控制方式矢量控制是风力发电机的经典控制方式，此外还有直接转矩控制、复合控制等，并在此基础上衍生出一系列改进的控制技术。文献8】提出基于无速度位置传感器的矢量控制技术，应用于感应电机和永磁电机控制。文献I9】提出基于多重化滑模观测器的矢量控制技术。这类控制方式通过设计观测器来估计转子位置或速度，将估计与控制相结合以改善功率控制精度，但实时性和抗干扰性偏低。文献【10】提出基于矢量控制的有功无功解耦控制；文献【11】通过构建电机的输入输出线性化模型，减弱了对电机参数的依赖性，可获得更快的动态响应及更好的动态解耦性能。332变流器控制方式采用双PWM变流控制是最常见的方式，可实现能量的双向流动和单位功率传输，其中PWM整流器多采用直接电流控制。文献【12】从变流器角度提出最大转矩电流比控制，以降低对变流器容量的要求；文献【13】针对变流器并联运行控制问题，研究各模块的监控及模块之间的数据通信和数据处理，使得各模块的输出电压和电流保持严格同步；文献【14】研究了交错三相单管BOOST型三相PFC整流器电路拓扑结构及相应调制方法，对三相电路进行DCM模式操作，降低了控制成本且易实现模块化。34机组控制算法综述从机组控制器设计层面上，可将控制算法总体分为两类，这些方法依据具体的风机动力学特性，有针对地应用至变桨、偏航、变流控制系统中。341经典控制算法PID控制器原理简单且当前多种工业PLC控制器如SIEMENSS7300集成了PID功能模块，实现方便，在控制领域得到广泛采用。风电机组中采用PI或PID控制器需要注意两点其一，采取“积分器退饱和”措施防止积分器失效；其二，将PI或PID与现代控制算法结合，构成复合PID控制如模糊PID、神经网络PID、自适应PID等，以弥补经典PID不足，实现更优控制效果。此外一些算法基于风力最佳工作点的线性化模型，实现风速、转速、电功率反馈控制，适合于工作环境慢变、不确定性及干扰性较弱的风电系统控制。342现代控制算法风电机组的现代控制方法包括最优控制、鲁棒控制、滑模变结构控制、非线性自适应控制及智能控制等。1文献【17，18利用鲁棒控制算法解决风电系统建模不确定性及随机风扰动问题，获得良好的鲁棒性和稳定性。文献19考虑负载状况，基于LMI方法设计了多变量线性时变控制器，实现全风速区域的变桨控制。文献2O】将几何方法与滑模方法相结合，设计了风电系统的多输入多输出抗扰控制器，同时实现转矩控制和最大化风能利用的控制目标。2非线性智能控制算法是现代控制算法中受到广泛关注的一类。该类算法直接针对风电的复杂快变非线性动力学，利用变结构、自寻优、动态补偿等功能克服系统参数不确定性及非线性时变电气自动化2O10年第32卷第5期因素，实现高速高精度的控制目的。模糊控制算法将专家经验和知识表示为语言规则用于控制，它针对风电系统的非线性和随机性，在转速跟踪和功率控制方面具有较强鲁棒性。需注意到该方法依赖于知识规则，自适应能力不高，易造成精度下降。神经网络在学习规则方面与模糊控制类似，还可以充分利用观测数据预测风速，在线学习并修正风能特性曲线，建立综合的神经网络自适应控制模型【22；支持向量机SVM技术也在风能预测与自适应控制方面有所应用。文献23】设计了分段切换的多模变桨控制器，优化了系统控制效果，保证了稳定的功率输出。文献【24】基于LIAPUNOV函数设计非线性自适应控制器，实现风力发电机的全程速度跟踪，保证了闭环系统控制的快速性和稳定性。文献【25】提出基于记忆推理的变桨距风机控制算法，无需精确的系统动力学信息，通过已有的系统响应和控制先验知识进行记忆推理，提高了桨距控制的稳定性、精确性和适应性。综上具有代表性的风机控制算法可见由于风电机组属于复杂非线性动力学系统，其应用地域广阔，环境复杂，不确定性强，目前尚未有集所有优点于一体的控制算法。设计高性能的风机控制策略需针对具体风能环境，兼顾控制成本和控制目的，最大程度地量化控制指标，实现多目标优化设计。4风电机组控制技术展望41风电机组控制技术的国产化现状我国近年在风电领域得到了持续的政策支持和研发投入，总体已掌握了定桨距风电机组设计技术，但对于机组大型化、高速高精度变桨、变速恒频等技术的自主化和产业化仍落后于发达国家甚至部分发展中国家。目前两方面问题值得关注其一，变桨距或变速恒频风电机组自主化产品较少。目前我国在该机型的执行机构和控制器研究方面尚处于技术进口和借鉴阶段。国内多所大学和研究所积极参与相关研究并取得了一定成果。其二，在掌握大型机组动力学建模、载荷计算、控制系统设计和优化方面，仍有较大发展空间。欧美等国已开发成功3MW以上风机，理论和经验均相对成熟，且有相当规模的商业化程度，例如VESTAS3MW、GE36MW、REPOWER5MW等。相比之下，国内目前对3WM以上永磁直驱风电机组的整体设计和生产的进口依赖性较高，国产化程度较低；产品方面，只有少数单位具备2MW以上永磁同步风机的自主研发和生产能力，总体步伐相对落后。此外，作为大容量风机的重要应用领域之一的海上风电场，国外已开发和落成多个，集中在如丹麦、瑞典、荷兰等国。我国海上风能储量巨大，而海上风电技术刚刚起步，蕴藏巨大的研究潜力。42风电机组控制技术展望在现有技术条件下，为实现更加高效、可靠、稳定地利用风能，根据上述研究现状，可将风电控制技术归纳为“混合驱动模式”、“载荷评估控制”、“自主容错控制”、“自维持运行机制”四个发展趋势。1混合驱动模式“电动”“液压”是变桨控制执行机构的两种常见类型。电动变桨控制清洁环保，无液体泄露且耐低温能力强；液压变桨控制则在速度和可靠性方面优势明显，且无需担心电池电容故障。目前有风电设备制造商开始着眼于“混合驱动”方案，即电动驱动桨叶，液压驱动叶轮安全装置，以同时避免液体泄漏和电池动力保障问题。ELECTRICAAUTOMATION3电气自动化2010年第32卷第5期综述SURVEY“双馈”“直驱”是两种常见的风力发电机类型。考虑到双馈电机中的齿轮箱是MW级风机中高过载率和高故障率的部件，近年来部分研究机构转向研发无齿轮永磁直驱发电模式，甚至“半直驱”模式。“半直驱”技术机组采用了相对可靠的一级行星齿轮和适当的增速比，一级行星齿轮与发电机集成在一起，构成了发电机单元。随着永磁体及变流成本降低及安全可靠性提高，“直驱”及“半直驱”将成为研发和生产热点。2载荷评估控制机组载荷是风电系统的重要参数，而控制系统的执行过程会对载荷产生一定影响如变桨距控制与塔架振动的相互作用，。设计高性能控制器需同时考虑此类影响因素，在保证控制指标同时防止控制动作导致的过载，减少载荷波动。为此有必要进行载荷评估控制，对控制器设计目标和载荷影响进行折中后设计机组控制方案。3自主容错控制针对复杂快变系统的安全、可靠运行问题，基于容错控制理论31L，设计先进的风机控制策略至关重要。一方面，基于先进的检测通信技术“收集”风机特征数据核心特征；另一方面，设计“核心一极限”双重容错控制方案，有效处理多类系统故障，保证鲁棒性和自适应性，实现全局可靠容错控制。4自维持运行机制为保证未来机组的快速扩容及海上风电应用，构建更加自主、可靠的控制运行机制，实现机组“自维持SELFSUSTAINABLE”运行是重要思路之一。该思路借鉴美国IMS中心提出的智能维护概念，利用故障诊断与健康管理技术，通过自维持评判体系“感知”健康状况，结合自主容错技术“防范”控制风机故障，从根本上保证风机系统的自主和可靠运行。由此，风电控制技术的研发将立足于三个方面A对未建模因素及不确定扰动的鲁棒性结合参数辨识、风能预测综合设计控制策略；B控制系统的容错性和自主性应对复杂动力学模型的参数快变、多模式控制切换等；C控制策略的可行性针对具体风机类型，权衡控制成本及控制性能，建立仿真评估体系。5结语风力发电系统的复杂非线性动力学特性对控制系统设计和实现提出了高要求。本文从风电机组控制系统构成、动力学特性及控制方案设计等方面综述了国内外研究进展，结合我国大型风电机组国产化进程，探讨了未来风电控制技术的发展趋势，指出在保证风电控制系统快速、稳定、精确的基础上，综合考虑系统指标、载荷状况、控制成本，研究自主可靠的控制策略是有意义的。参考文献1】FONVBURTON风能技术M武鑫，译北京科学出版社，2007【2叶杭治风力发电机组的控制技术M】北京机械工业出版社，2006【3】王丰收，沈传文，刘伟风力发电系统控制策略研究J电气传动自动化，2006，285154】徐大平，张新房，柳亦兵风力发电控制问题综述J中国电力，200538470744ELECTRICALAUTOMATION【5SONGYD，ROBINSONMWINDTURBINEDYNAMICS。CONTROLANDMONITORINGJJOURNALOFWINDENGINEERINGANDINDUSTRIALAERODYNAMICS，2000，85312【6LIAOXH，SUNZ，SONGYD，ETA1VARIABLESPEEDCONTROLOFWINDTURBINESUSINGMEMORYBASEDFIRINGANGLEADJUSTMENTJ】ASMEJOURNALOFSOLARENERGY，2008，130310191027F7MARIOGSWINDTURBINESNEWCHALLENGESANDADVANCEDCONTROLSOLUTIONSJ】INTERNATIONALJOURNALOFROBUSTANDNONLINEARCONTROL，2009，1913【8】CARDENASR，PENARSENSORLESSVECTORCONTROLOFINDUCTIONMACHINESFORVARIABLESPEEDWINDENERGYAPPLICATIONSJIEEETRANSACTIONSONENERGYCONVERSION2004191962059葛鹏，遥徐壮，徐殿国基于多重化滑模观测器的永磁直驱风力发电系统控制研究【C】中国高校电力电子与电力传动学术年会，2008576110赵栋利，郭金东，许洪华变速恒频双馈风力发电机有功、无功解耦控制研究与实现【J】太阳能学报，2006，272174179【11】张鲁华，郭家虎，蔡旭双馈感应发电机的输入输出线性化解耦控制【J】中国电机工程学报，2009，29S1197203H2李长红，陈明俊，吴小役PMSM调速系统中最大转矩电流比控制方法的研究【J】中国电机工程学报，2005，2521169174【13POLLANENR，TARKIAINENA，NIEMELAM，ETA1CONTROLOFZEROSEQUENCECURRENTINPARALLELCONNECTEDVOLTAGESOURCEPWMRECTIFIERSUSINGCONVE一ERFLUXBASEDCONTROLCPROCEEDINGSOFEUROPEANCONFERENCEONPOWERELECTRONICSANDAPPLICATIONS200511014】BARBOSAP，CANALESF，CREBIERJC，ETA1INTERLEAVEDTHREEPHASEBOOSTRECTIFIERSOPERATEDINTHEDISCONTINUOUSCONDUCTIONMODEANALYSIS，DESIGNCONSIDERATIONSANDEXPERIMENTATIONJ】DIGITALOBJECTIDENTIFIER，2001，16572473415】刑作霞，郑琼林，姚兴佳等基于BP神经网络的PID变桨距风电机组控制J】沈阳工业大学学报，2006，28668168616】SEDIGHIZADEHM，REZAZADEHAADAPTIVEPIDCONTROLLERBASEDONREINFORCEMENTLEARNINGFORWINDTURBINECONTROLJ】WORL