王剑彬1，付小林2，孔朝志2

（1.华能呼和浩特风力发电有限公司，内蒙古呼和浩特010020；2.成都阜特科技股份有限公司，四川成都611731）

摘要：针对李汉梁风电场有功出力不佳的情况，根据风电场实际工况，对影响风力发电机组功率曲线的相关因素——风速及空气密度进行了修正，修正后功率曲线测试结果表明：在4~18m/s风速范围内，实际功率曲线都能很好地跟踪到理论功率曲线。之后对全场风机控制策略进行优化，在额定风速以下，动态调整最优模态增益；额定风速以上，将控制方式改为恒功率控制。从优化前、后的测试结果可以看出，全场发电量同比增加约8%，解决了在额定风速以上风电机组不能满发的问题。

关键词：风力发电机组；功率曲线；参数修正；风速；空气密度；控制策略

Optimum Analysis of the Control Strategy for Wind Turbine

WangJianBin1 FuXiaoLin2 KongChaoZhi2

(1.Huaneng Huhhot Wind PowerCO.,LTD.Inner Mongolia Autonomous Region Hohhot010020;2.Chengdu Forward Technology Corp.LTD.Sichuan Province Chengdu611731)

Abstract:Itisresearchedthattheinfluencefactorsforwindturbinepowercurve,suchaswindspeedandairdensity,accordingtoactivepowercan’tfullcapacityoperationinwindpark.Somemethodsproposedusingtoimproveactualpowercurveinordertoeliminatetheadverseeffectoncontrolerror.Itisrealizedthebesttrackingbetweenactualpowercurveandtheorypowercurveintherangeof4-18m/s.Then,theoptimallingcontrolstrategyarediscussed,includingadynamicadjustmentofoptimalmodegainundertheratewindspeedandconstantpowercontrolontheratewindspeed.Thecomparisonshowsthatthemethodiseffective,increasinggeneratedenergyandeconomiceffect.

Keywords:windpowergeneracion;powercurve;parametercorrection；windspeed;airdensity；controlstrategy.

1问题的提出

华能呼和浩特风力发电有限公司武川李汉梁风电场一、二期风电项目总装机容量为99MW，共安装了66台单机容量为1.5MW风力发电机组，选用的是东方汽轮机有限公司生产的FD77B-1500型风机，并配备有成都阜特科技股份有限公司提供的FA001-FD型主控系统。该风电项目首台风机于2009-11-08并网风电，所有机组于2010年2月通过240h试运行。但是，直到2010年年末，该机组实际运行功率曲线仍未能达到设计功率曲线要求。在平均风速为18m/s时，风电场有功功率出力最高只能达到84MW，且波动较大，对风电场发电量产生了较大影响。

李汉梁风电场地处阴山山脉北麓，属丘陵型地区风电场，气候条件相对比较特殊，风机主风向为西风和西北风，地形特点为南高北低。因此，本文根据李汉梁风电场的实际风况条件，进行功率曲线测试，调整风机控制策略，达到提高风电场风机有功出力的目的。

2李汉梁风电场功率曲线现场测试

风机在正常发电过程中，如果在相同风速下测得的实际功率大于设计值时，表明风力发电机组正处于过负荷运行，将会增加机组疲劳载荷，影响风机使用寿命；当实际功率小于设计值时，则表明机组的功率特性未能达到最佳，会降低风机的发电量，影响风电场经济效益。因此，在机组投运后，还需要根据风电场的实际情况对功率曲线进行测试和修正[1]。另外，功率曲线还反映了风机在不同风况下的控制策略，可以根据风况的变化实时调整控制策略，实现有功出力最大化。

通常，风机主控系统控制算法的控制参数都是生产厂家按照标准条件计算得出的，忽略了具体的风电场工况条件。所以在实际运行中测得的功率曲线与理论功率曲线有较大的偏差。图1为FD77B型风力发电机组的理论功率曲线。

图1FD77B型风机的理论功率曲线

从图1可知，切入风速为3m/s，切出风速为20m/s，额定风速为11m/s，额定功率为1500kW。

李汉梁风电场实际运行功率曲线如图2所示。

图2李汉梁风电场FD77B风机参数修正前的实际运行功率曲线

图2中，红色曲线表示的是实测功率曲线，绿色曲线表示的是标准空气密度下的理论功率曲线，蓝色曲线代表的是风电场当地实际空气密度下的理论功率曲线。可以看出，实际功率输出效果较差，与理论值相比，两者之间有明显的差异，而且高风速区域的偏移量明显大于低风速区域。

2011年3月开始，从风电场所有集电线路各选择了1台风机为实验样机，对每台风机的运行状况做跟踪观察，同时记录下每日发电量、有功、气温、平均风速、空气密度等数据，并定期进行不同气候条件下的对比分析。通过分析这些记录数据，可以对风电机组的控制参数修正，优化控制策略。

3功率曲线的修正

通常，影响风机功率曲线的主要因素是风速和空气密度[2]，因此首先根据李汉梁风电场的实际工况条件对这2个参数进行了修正。

3.1风速的修正

对于李汉梁风电场运行的FD77B型风机来说，风轮的旋转方向始终是迎向来风方向，风速风向仪是安装在风机机舱尾部，而自然风在通过风轮后会产生叶片尾流，造成测量风速与实际风速有偏差[3]，具体的自然风流向如图3所示。

图3风机受到的自然风流向

在图3中，风轮前方来风风速为V1，风轮后方去风风速为V2，气流通过风轮时的风速为V，这三者之间的关系[4]为：

（1）

一般来说，在风速风向仪处测得的风速VM要大于风轮后方去风速V2，但比通过风轮时的风速V小。功率曲线表示风机发电机输出的实际功率和风轮前方的来风风速之间的关系，并且功率与风速的三次方成正比例关系[2]，则风速测量的微小偏差都会影响功率输出。所以用风速风向仪测得的风速绘制功率曲线会存在较大偏差，不能准确反应机组的功率特性。

相对于理论功率曲线，风机的实际功率曲线会随着风速的增大而逐渐向右移，偏移量的多少和风速的变化有关。因此，在优化后的控制系统中，增加了对测得风速的修正策略，通过软件算法的补偿使得测量值VM更接近于实际风速。后面测试发现，修正后的实际功率曲线在精确度方面有较大的提升，如下图4所示。

3.2空气密度的修正

修正后的功率曲线虽然在精确度上有所提高，但是和理论功率曲线对比，还是有偏差，因此，还需要在空气密度上作进一步的修正，根据空气密度变化调整控制算法中的最优模态增益值Kopt，使风机能时刻保持最佳叶尖速比运行，实现风能利用效率的最大化。

IEC61400-12-1—2005《风轮—第12部分：风轮发电的动力性能测试》[5]规定，如果当地空气密度偏离标准空气密度±0.05kg/m3以上都应进行修正。在现场进行功率测量和计算时，单台风机的功率平均值需要修正，修正系数通过大气压强、环境温度等相关的空气密度状况来计算。风力发电机组轮毂安装处的空气密度ρ的计算公式[6]可表示为：

（2）

式中T—现场测得的大气温度；

p—现场轮毂高度处测得的气压；

ρ0、T0、p0—标准条件下的空气密度、温度和气压，ρ0=1.225kg/m3，T0=273.15K，p0=101.33kPa。上述现场测得的大气温度和气压都是取10分钟平均值。

气压和温度是随着风力发电机组安装位置的变化而变化。根据风场可行性研究报告[7]，可得到李汉梁风电场所处位置的气压和平均温度等数据，以其中某台风机为例，T=276.15K，p=85.88kPa。根据公式（2），可算出现场运行的空气密度ρ=1.027kg/m3。

为了简化计算，可以根据经验值按照公式（3）估算出在不同海拔处的空气密度[6]：

(3)

其中，ρ0为标准空气密度，H为风机安装处的海拔高度。李汉梁风电场所处位置海拔在1600-2000米范围内，H取值为1650米。

由式（3）可得到空气密度ρ=1.028kg/m3，与式（2）的计算结果偏差不大。

3.3参数修正后的功率曲线测试

综上所述，风速的测量偏差会明显影响风机的利用率。通过分析风机现场运行状态表明，针对风速和空气密度等影响因素对FD77B型风机的控制参数进行修正，可显著提高实际运行功率曲线的精确度和稳定性，更符合李汉梁风电场的运行工况。从图4可知，在4-18m/s风速范围内，实际测量功率曲线都能很好地跟踪到理论功率曲线。

图4武川风场FD77B风机修正后的实际运行功率曲线

4风电机组控制策略优化

根据李汉梁风电场的实际运行条件，除了修正风速和空气密度的测量偏差外，还对整机控制策略进行优化，调整相关控制参数，使风机运行在最佳状态，有功出力达到最高点。具体的优化措施如下：

（1）在额定风速以下，风机采用最优控制法取代前期使用的查表控制法，并且根据空气密度的变化来自动调控最优模态值Kopt，使得风机可以在更广泛的风速范围内跟踪最佳叶尖速比。

得到风场的空气密度后，最优增益模态值Kopt的计算公式[8]为：

(4)

式中，ρ—实际空气密度，所选机组的计算值ρ=1.028kg/m3；

R—风轮半径，所选机组风轮半径R=77/2=38.5m；

N—齿轮箱齿数比，所选机组的N=104；

Cpmax—最大风能利用系数；

λopt—最佳叶尖速比。

最大风能利用系数和最佳叶尖速比取决于风机叶片的气动性能，所选机组的Cpmax=0.485，λopt=8.5。

计算可得到：最优增益模态值Kopt=0.095，再对控制算法中的相关控制策略进行调整，即根据实际的空气密度来动态调整每台风电机组Kopt值，实现最佳叶尖速比控制。

在捕获最佳叶尖速比的范围内，风力发电机组控制系统的主要任务是根据公式（5）转矩与转速的平方关系式来控制电机转矩：

(5)

式中Te—期望输出的转矩值，单位为Nm；

ωg—发电机转速，运行范围为1100-1780rpm。

而期望输出的功率Pe是通过对发电机转矩的控制来实现的，见公式（6）[8]：

(6)

最优控制还可以使得风机各个风速段的发电机扭矩变化平滑，不出现跳变，减小机组的振动。

（2）在额定风速以上，采用恒功率控制方式代替原有的恒转速控制方式，通过增加传动链阻尼滤波器来减小发动机扭矩的偏差，使得发动机转速的变化平缓，提高了风机在大风速下输出功率的稳定性和综合利用率。

表1所示为控制策略优化前后测得的实际最大有功功率和月发电量，首先是比较每条集电线路上选取的单台风机，然后再对全场66台风机的数据进行对比。

表1优化前后最大有功功率和月发电量统计

从表1中可以看出，风机控制策略优化后的效果较为明显，每条集电线路上的风机发电效率都有提高，大部分风机的最大有功功率都超过了设计的额定功率，全场风机的发电量增加了约8%。

5结束语

李汉梁风电场经过控制策略优化，已连续运行近半年，通过了大风期的检验，运行状况良好，主要表现在以下几个方面：

（1）对风机机舱尾部测得的风速进行二次修正，使得测量值更加接近于实际值，减少了由测量误差造成的能量损耗。

（2）在额定风速以下的控制策略中，根据气候的变化来动态调整最优模态增益值，实现控制参数的自动调控，改善发电效率。

（3）在额定风速以上的控制策略中，采用恒功率控制方式，增加了传动链阻尼滤波器，降低了发动机转速的波动频率，增加了输出功率的稳定性。

参考文献：

[1].马平，刘昌华.风力发电功率曲线的验证[J].可再生能源，2008，26（6）：82-84.

[2].王承煦，张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社，2002：50-56.

[3].廖明夫，徐可，吴斌，等.风切变对风力机功率的影响[J].沈阳工业大学学报，2008，30（2）：163-167.

[4].BurtonTony,等[著],武鑫,等[译].风能技术[M].北京:科学出版社,2007,38-50.

[5].InternationalElectrolechnicalCommission.IEC61400-12-1—2005Windturbines—Part12-1:Powerperformancemeasurementsofelectricityproducingwindturbine[S].Switzerland:InternationalElectrolechnicalCommission,2005.

[6].Riso国家实验室，挪威船级社[著],杨校生，和嘉兴等等[译].风力发电机组设计导则(原书第二版)[M].北京：机械工业出版社，2011，44-45，277-278.

[7]北京国庄国际经济技术咨询有限公司.华能武川风电项目可行性研究报告.2008，8-11.

[8]叶杭冶.大型并网风力发电机组控制算法研究[D].浙江:浙江大学机械与能源学院,2008.