远景风向标︱如何理解传统风机控制策略的局限

　　如果风机有人类的感知，它定能感受到两方面的压力：一方面，业主总是希望通过降低风机设备成本，以应对电价下行带来的盈利难题；另一方面，风能资源越来越稀缺，业主希望把好用的风机放到来之不易的机位，这让风机间的竞争更加激烈了。 　　低风速和海上区域已然成为风机的必争之地。必须提及的是，这两个区域的风机都需要配置较大直径的风轮，其道理也很简单，陆上低风速风电场需要大风轮捕获尽可能多的能量，海上风电场则需要单机功率更大的风机，大风轮是其必须的选项。
　　但问题是，传统的控制策略能够控制好风机的大风轮吗？好难！而且风轮越大越难控制，这是因为传统控制策略的缺陷在大风轮面前成了大缺陷，大缺陷会带来大问题。
　　那么，先来认识一下风机传统控制策略，看看它究竟有什么缺陷？
　　下图是经典的风机控制过程，可看出三层意思： 　　一是在风轮达到额定转速前，保持桨距角固定，通过发电机转矩控制来实现最优功率轨迹跟踪；二是在风速进一步上升而功率未达到额定前，由转矩闭环控制来稳定风轮转速；三是当风速达到额定之后，由变桨闭环控制来稳定风轮转速，扭矩即可以保持恒定，也可以做简单调整来实现更稳定的输出功率。
　　这种控制策略最明显的特征是独立，变桨和转矩分别属于不同的环路，彼此解耦。其最大的优势就是简单、稳定，在经过精心整定后，可以达到非常可靠的控制性能。
　　请注意的是，经典控制方法在Cp曲线上的轨迹，如下图所示。 　　使用双馈变频器的风机，需要在小风时保持发电机转速不低于变频器设定的并网转速下限。随着风速增加，叶尖速比变小，构成了图中的A段直线。顺便插一句话，远景变频器双模技术就是通过把这段Cp拉回最大值达到提升发电量的目。这一段也是Cp逐渐上升达到叶片最大捕获效率点的过程。脱离直线段后，为了使Cp保持在最大值点，先保持桨距角在最优桨距角位置，通过调整转矩，使叶尖速比保持在设计的最优状态，也就是对应的图中B点。当风速达到额定值后，需要减小Cp使得捕获功率不超过额定值。此时因为风轮转速已经达到额定上限，所以叶尖速按照固定的范围变化，只能通过改变桨距角来减小Cp，对应图中C段弧线部分。
　　由此可见，传统控制策略的缺陷在于，A直线段的Cp显然没有充分利用。
　　即使转速受限，不能自由调节，仍然可以通过变桨增大Cp，以回收部分损失发电量，达到次优状态。更好的方案是远景变频器双模技术，可以直接达到小风状态的最优捕获。低风速是绝对发电功率小，它对风机全年发电量的提升大约在0.5～2%之间。
　　还须注意的是，风机的最大功率捕获段只有一个点，也就是上图中的B点，对应唯一的桨距角和叶尖速比数值。任何一个参数偏离，就会导致捕获效率下降，而真实的风速总是存在时间、空间的变化，风轮转速也跟着变化，但因为传动链的巨大惯性，风轮转速变化总是落后于风速变化，导致叶尖速比偏离，对应下图中直线段轨迹。在这个区间的传统策略只有扭矩控制，而同样因为巨大惯性的原因，改变扭矩无法使叶尖速比快速回到最优值。如果同时使用变桨和扭矩控制，只需要桨距角产生±2度之内的变化，就可以快速将风机重新拉回到一个次优的位置，对应图中虚线轨迹。 　　风机控制的目标应该是更高的发电量和更小的疲劳、极限载荷，但在传统控制方法中考虑的只有静态发电量的最大化，不但没有充分考虑动态情况，更没有考虑载荷因素。
　　叶片特性是非线性的，同时受到叶尖速比和桨距角两个因素的影响，最有效的控制方法是同时使用转矩和变桨，传统的控制方法是将转矩和变桨解耦简化，做成了两个独立的单入单出（SISO）控制环，每次只变其中一个，这就牺牲了发电量。
　　关于发电量损失，值得提醒的是，除了控制算法自身的问题，还有多个因素会直接导致发电量的降低：
　　一是机位环境因素。目前陆上风机大多立到丘陵、山地地区，不同风向的风有不同的特点，比如不同的湍流强度、入流角、沿高度方向的方向变化、风剪切等，这些都可能会造成风机发电量的损失和承受超出设计的载荷。
　　二是理论模型与实际系统的误差。这种差异遍布于转矩、桨距角等各方面。作为风速到达额定前的桨距角设定，每个叶片都有自己的最优桨距角参数，而真实风机在叶片安装、对零方面总会存在各种误差，叶片经过一段时间运行后也会因为表面光洁度变差，而导致气动参数与理想条件的差异，最终导致控制系统设定的理论最优桨距角不是真实的最优值，因此带来发电量损失。同样的问题，也在转矩控制环节存在。当前风机没有直接的转矩测量，真实转矩的反馈要依赖变频器，而变频器内部转矩经过了多个环节物理量的转换和信号处理，最终引起理论转矩设定与传动链上实际值的差异，进而引起风轮叶尖速比与理论值的差异，带来发电量损失。
　　三是风机内的周期性振动。风机是个大型旋转机械，不可避免的存在各种模态的振动。在没有引起大幅共振情况下，这种振动往往被忽略，但是他们会引起部件疲劳载荷的增加和发电量的损失。风机中最典型的振动，就是与风轮转速同步的1P振动和3叶片下的3P振动、传动链自然频率振动、塔筒自然频率振动，以及叶片的面内、面外振动。从发电量角度看，这些振动都会反映到风轮转速上，从宏观上使得叶尖速比、桨距角等偏离理论最优，从微观上引起叶片上气流压力和分离位置的不稳定。
　　到此，应来谈谈风机传统控制策略的改进问题了。远景工程师愿意分享其控制策略上的实际做法和心得，以改变风机传统控制策略上存在的缺陷，其要点体现在以下方面：
　　一方面，远景控制算法内置对周围环境因素的统计，随着环境信息的累积，以载荷和发电量为目标改变风机自身的行为，并且跟踪环境因素的变化，如季节和天气的变化，使风机运行有更好的适应性。
　　另一方面，远景风机的标准标定流程，矫正真实运行环境与理论参数的差异。
　　此外，对于抑制1P、3P等振动，远景开发了整套先进控制算法，使得各种振动抑制达到了更高的水平。