风电机组全风速段多目标发电优化控制_许喆.pdf

第 44 卷第 7 期2023 年 7 月电力建设Electric Power ConstructionVol.44No.7Jul 2023http:/www cepc com cn基金项目:上海市青年科技英才扬帆计划(20YF1414600);上海市科技计划项目(22dz1206100)风电机组全风速段多目标发电优化控制许喆1，谭旭辉1，陈雷1，贾锋1，周全2(1 上海电力大学电气工程学院，上海市 200090;2 国网上海市南供电公司，上海市 200030)摘要:降低机械载荷、提高发电量以及平抑功率波动是风电系统的主要控制目标之一。研究发现，在持续性风速激励下，轴系扭振除特征频率振荡分量以外还存在与风速同频的宽频受迫扭振，而现有扭振抑制方法不仅无法应对受迫扭振，在不适当的参数下甚至会产生不利影响。文章聚焦于持续波动风速作用下风电机组的多目标发电优化控制，根据低频段削弱、同时特征频率增强的分频段轴系电气阻尼虚拟配置原则，基于小信号频域分析法揭示了扭振、最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)和功率波动 3 个优化目标受控制器参数的影响规律。综合考虑了 MPPT和功率波动对宽频扭振镇定的约束及 3 个目标的综合优化，针对全风速段不同工作模式分别设计控制器结构和参数，最后通过控制综合形成一套完整的控制策略。控制器硬件在环仿真表明所提控制策略可有效实现持续性风速激励下的多目标发电优化控制。关键词:轴系;最大功率点跟踪(MPPT);功率波动;受迫扭振;电气阻尼Multi-objective Optimization Control for Wind EnergyConversion System in Full Wind Speed angeXU Zhe1，TAN Xuhui1，CHEN Lei1，JIA Feng1，ZHOU Quan2(1 College of Electrical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China;2 State Grid Shanghai Shinan Electric Power Supply Company，Shanghai 200030，China)ABSTACT:The main control objectives of wind energy conversion systems include reducing mechanical load，increasingpower generation，and suppressing power fluctuations It has been established that under continuous wind fluctuations，forced torsional vibrations exist on the drivetrain in a broad frequency band，which has nearly the same spectrum as windfluctuations Moreover，it has been found that existing active damping control schemes cannot cope with forced torsionalvibration，which has adverse effects This study focuses on the multi-objective generation optimization control of windturbines under the action of continuously fluctuating wind speeds Based on the virtual configuration principle of frequencydivision shafting electrical damping with reduced low-frequency bands and enhanced characteristic frequencies，the smallsignal frequency domain analysis method is used to reveal the influence of controller parameters on the three optimizationobjectives of torsional vibration，maximum power point tracking(MPPT)，and power fluctuationConsidering theconstraints of MPPT and power fluctuation on the stabilization of broadband torsional vibrations and the comprehensiveoptimization of the three aforementioned objectives，the controller structure and parameters are designed for differentoperating modes in the full wind speed range，and a complete set of control strategies is formed through control synthesisThe hardware-in-the-loop simulation of the controller confirms that the proposed control strategy can effectively achievemulti-objective power-generation optimization control under continuous wind fluctuationsThis work is supported by Shanghai Sailing Program(No 20YF1414600)and Shanghai Science and Technology PlanProject(No 22dz1206100)KEYWODS:drivetrain;maximum power point tracking(MPPT);power fluctuation;forced torsional vibration;electrical damping中图分类号:TM614文献标志码:A文章编号:1000 7229(2023)07 0131 11DOI:10.12204/j issn.1000 7229.2023.07.0140引言风电已成为最重要的新能源形式之一，是电网电源的重要组成部分。风电机组的主要优化控制目标是降载、提质、增效，即安全可靠的发出更多优质电能1-2。由于外部环境复杂多变，风机部件必须在强烈和可变的机械应力下工作，这将极大地提高轴系故障的发生率3，其中根据运行统计，齿轮箱、轴承等传动系统关键部件故障率高、故障恢复电 力 建 设第 44 卷http:/www cepc com cn时间长，由此带来极高的停机损失和运维成本4-9。在国内某些风电场中出现投运不足 5 年的风电机组桨叶出现了周向裂纹10，同样表明轴系承受了很大的扭振损伤。在轴系扭振方面已有大量研究，关于扭振问题的分析大多借鉴次同步振荡的分析方法 复转矩系数法11-12。文献 13 提出了一种优化的无阻尼机械减振器，对抑制扭振虽然有效但会增加额外的成本。通过带通滤波器提取发电机转速的扭转频率分量并通过发电机转矩施加电气阻尼的方法更为有利，也得到了广泛应用14。文献 15 根据阻尼和刚度的协调作用，提出了基于电气阻尼 刚度控制的轴系扭振抑制策略;文献 16 针对扭振分析，提出了一种基于集总模型和有效模态质量精度增强技术的永磁同步电机电驱动分析框架，该框架可以很容易地扩展到任何联轴器系统;文献 17采用梯度流法研究了轴系扭振抑制的部分特征值配置问题，通过结构修改使轴系的固有频率远离激振频率;文献 18提出了一种鲁棒振动控制器，并进一步采用滑模补偿器来抑制扭振。为了减少风切变和塔影效应引起的轴系振荡，文献 19-20 提出了具有独立变桨控制的多变量扰动适应观测器控制方案。文献 21 分析了机组传动链在电网短路故障下电磁转矩波动对扭振疲劳可靠性的影响。轴系扭振虽然关注较多，但大多仅关注轴系固有振动模式。风速具有天然的随机波动性，持续波动的气动转矩作用于轴系，理论上不仅会激发固有频率附近的自然振荡模式，还会激发与风速同频的宽频受迫扭振。文献 22 揭示了现有主动阻尼控制参数对宽频扭振的影响，明确了宽频扭振抑制对不同频段轴系电气阻尼的需求，文献 23提出了发电机电气转动惯量和电气阻尼联合配置的扭振镇定方法，但均仅考虑变速模式，未全面涉及全风速区间的各个工作模式。风速的随机波动特性同样会直接导致并网功率的波动，风轮转动惯量巨大使其难以快速跟踪风速变化并造成最大功率点跟踪(maximum power pointtracking，MPPT)效率降低。为了实现永磁同步发电机的最大功率跟踪，文献 24设计了一款无源线性反馈控制，引入线性反馈控制作为额外输入，通过能量重塑使得能量函数中的能量得以快速耗散，进而使永 磁 同 步 电 机(permanentmagnetsynchronousgenerator，PMSG)能在快速时变风速下有效实现MPPT;文献 25 认为基于 MPPT 的最大化风能提取不适用于湍流下的大惯性变速风机，并提出与变速风机的慢动态行为相匹配的保守速度参考可以有效提高风能产量;文献 26提出了基于自适应神经模糊推理 系 统(adaptive network-based fuzzy inferencesystem，ANFIS)的最大功率点跟踪控制器。但目前上述控制较少实际应用，经典的常规最优转矩控制(optimal torque control，OTC)仍是商用机组的首选。在功率波动方面，现有文献大多侧重于其并网影响。针对发电系统的并网功率波动影响电网运行稳定性的问题，大多借助储能系统(energy storagesystem，ESS)通过削峰填谷实现电力相移27-29。文献 27 针对高比例新能源电力系统，分析了以最小功率波动为目标的新能源和储能容量最佳配比;文献 29 提出采用低通滤波器代替传统的平均值计算模块，并且与 ESS 相结合的平滑混合储能系统电能波动和分配的控制策略。目前降载、提质、增效三大优化目标大多孤立讨论，较少综合分析。机械载荷会影响机组寿命增加建造、维护成本30-31，功率跟踪能力与发电量直接相关，功率波动将影响电力系统的稳定性和功率转换器的寿命32，多个目标需要综合考虑。文献 33 使用滑模控制器来提高功率跟踪能力，并额外添加高压蓄能器以平滑输出功率;文献 34提出在考虑传动系统灵活性的情况下等效地减小转动惯量，从而提高最大功率点跟踪能力的控制策略，然而这种方法显著增加了功率波动;文献 35提出在原有转矩指令的基础上叠加传动轴扭振抑制指令的最大功率跟踪控制改进方法，但未考虑对发电量的影响。而通过控制的手段抑制宽频扭振，本质上是通过发电机转矩在上述频段的分量施加影响，势必会对功率跟踪和功率波动产生复杂的影响，MPPT 和功率波动也会对宽频扭振抑制构成约束。本文建立轴系扭振、MPPT 性能和功率波动 3 个优化目标的频域分析指标，针对全风速段不同工作模式分别设计控制器结构，并综合考虑 3 个目标的约束及优化设计控制器参数。最后通过控制综合方法形成一套完整的控制策略，有效解决持续性风速激励下