提高大型风电机组恒转速段发电量的变桨策略
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
上海交通大学电子信息与电气工程学院风力发电研究中心的研究人员贾锋、李征、蔡旭，在2017年第1期《电工技术学报》上撰文指出，常规认为的额定风速以下的恒定最优桨距角在机组恒转速段并不一定是最优的。恒转速段的最大功率跟踪问题等同于特定转速下的气动转矩最大化问题，以提高切向力系数为目标分析了两个恒转速段切向力系数及法向力系数与桨距角的定性关系。
分析表明，在恒最低转速段通过合理地正调桨距角可以提升切向力系数并提高发电量，且可减轻轴向推力等载荷；在恒最高转速段通过合理地负调桨距角可以提升切向力系数并提高发电量，但会增大轴向推力载荷；在两个恒转速段内特定风速下均存在其对应的最优桨距角，且最优桨距角随风速单调变化。
针对最优变桨角度难以直接量化的问题，根据定性分析结果推断出最优桨距角的合理表达式，并给出了表达式中参数的离线辨识方法。最后采用专业软件Bladed中的商用机组实际参数模型，从稳态和动态两方面对恒转速区提高发电量的变桨策略进行了验证，仿真结果很好地证明了分析的正确性，从而更好地指导机组提高发电量。
全风况下的风电机组发电运行包含恒转速段、变速段、恒功率段几种模式，不同模式之间存在过渡和切换[1-3]。
现有变速变桨风电机组的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制的研究，一部分集中于实现最大功率跟踪的方法，这些方法包括最佳叶尖速比控制[4]、爬山搜索法[5-7]和功率反馈控制[8,9]，以及爬山搜索法与功率反馈控制的结合[10]；另一部分则聚焦在大惯量时间常数导致的转子动态响应慢、MPPT动态跟踪提升问题。
其中，文献[11]分析了不同风速下MPPT的跟踪带宽，并提出了基于气动转矩前馈的恒最大功率跟踪带宽的控制方法。文献[12]根据机组当前的运行特性来调节功率曲线的比例系数，实质也是增大MPPT跟踪带宽的一种做法。但这些研究都集中在MPPT段（变速段）的优化控制。
现有变桨控制的研究集中在提高变桨控制性能（包括采用智能算法[13]、变增益变桨控制[14]等）和面向机组减载荷的独立变桨控制[15,16]，目前尚未见关于变桨控制提高发电量的研究。
考虑到机组运行在恒转速段有相当高的概率，在恒转速段提高发电量也同样应当引起关注。在常规的风电机组控制中，对于额定风速以下的区域通常将桨距角设为恒定的‘最优’桨距角βc（通常为0度），由于机组在恒转速段偏离最佳叶尖速比和最大Cp[1, 17]，因此常规意义上恒定的0度桨距角并不一定是最优的。
实际上，已有风电运行厂商发现在切入风速附近的弱风速段将桨距角设为一个较小值能在一定程度上提高发电量。但并没有文献阐明这一做法的本质，对于该做法有无其他负面影响也未见报导，且由于缺乏机理分析，对于调桨的角度没有一个量化概念，限制了该技术的实际应用。
本文通过分析，将该问题归结为恒转速段的优化变桨控制，阐明了恒最低转速段（即上述弱风速段）通过变桨提高发电量的机理及其量化，并分析出恒最高转速段同样可以通过变桨提高发电量，从而更好地指导风电运营商提高发电量。
图4 基于风速检测的实现方法
结论
现有机组受限于变流器容量和电流可控性要求无法在额定风速以下均以λopt运行，常规控制方法中的‘恒定最优桨距角’在恒转速段并不是最优的。分析了在恒转速段采用变桨控制对切向力系数和法向力系数的影响。
恒最低转速段的分析结果表明：①恒最低转速段合理的小幅正调桨可以提高切向力系数进而提高发电量；②特定风速下的正调桨角度存在最优桨距角；③不同风速下的最优桨距角随风速减小单调增大；④提高发电量的同时可降低轴向推力等载荷。
恒最高转速段的分析结果表明：①恒最高转速段合理的小幅负调桨可以提高切向力系数进而提高发电量；②特定风速下的负调桨角度存在最优桨距角；③不同风速下的最优桨距角随风速增大单调减小；④提高发电量的同时会增大轴向推力等载荷。
针对恒转速段最优桨距角难以直接量化的问题，基于定性分析结果给出了最优桨距角的合理表达式，并借助于采用实际机组参数的专业风电软件Bladed对式中待定系数进行了离线辨识。介绍了基于风速检测和基于功率查表的变桨实现方法。最终结合某商用机组实际参数模型采用专业风电仿真软件Bladed进行验证，仿真结果表明了定性分析的正确性和最优桨距角量化的有效性。案例分析结果表明所提出的变桨策略应用于单台1.5MW机组可提高的年发电量约为20465 kWh。
本文重在阐明变桨提高恒转速段发电量的机理及其量化实现方法，是现有技术在机组特定运行区域的优化和补充。作为本文的不足之处，尚未考虑到变桨‘频度’及其对载荷影响的优化。