集成控制系统，汽轮机设计中的动力控制

III型和IV型风力涡轮机是复杂的工程系统，需要叶片螺距和电力电子控制系统的组合，以实现更高效和可靠的性能。设计一个完整的风力发电机组控制系统在多域控制体系结构和各控制回路参数设置的选择上具有相当的复杂性。

将优化技术应用于详细的仿真模型可以自动更新综合控制系统中的参数设置，并在给定的控制功能和给定的操作包络内最大化机电涡轮机性能。辅助控制信号可用于功率变换器以减轻次同步谐振。并行计算可以作为一种以更省时的方式运行大量仿真的手段，并且可以更有效地测量与控制系统运行相关的置信限。

多个控制回路

包含多个耦合回路的控制体系结构长期以来一直是控制工程师面临的挑战，特别是从选择适当参数以实现所需响应的角度来看。当控制回路作用于不同的物理现象时，例如叶片螺距的机械控制和轴速的电磁控制，控制工程师可能没有跨越整个系统多种物理特性的领域经验，这一挑战变得更加复杂。

然而，控制工程师的技能和直觉对于复杂的控制设计是不可替代的，无论被控制系统的物理性质如何。此外，通过手动调优实现的参数设置当然是获得所需响应的更有效的方法。这就是帕累托原理的作用，20%的工作可以让你获得80%的预期回报。微调阶段特别耗时，这是对响应进行增量改进的地方，从而提供进一步的性能优势。微调的许多好处包括改善电源质量，减少机械疲劳，以及对系统操作员命令的精确响应。在这方面，计算机仿真和自动参数调整是控制工程师工作流程的一个引人注目的补充。当实现最大响应的最终努力从工程师转移到自动化优化和测试环境时，主要的好处就来了。

通过考虑III型和IV型风力机，有优化方法来补充不同机电控制功能的参数整定任务。考虑了以下功能:高风速下的进入和退出功率限制，低压条件下的无功支持，以及作为风力机局部控制功能的次同步谐振的缓解。

权力限制

涡轮机有效限制功率的能力是一种控制策略，需要考虑多种风速情景，以测试进入限制条件的能力的鲁棒性，然后顺利过渡出限制条件的能力。

两种机制在III型和IV型风力涡轮机的功率限制功能中起作用。首先，向功率变换器(III型为转子侧变换器，IV型为发电机变换器)发送电磁转矩参考，将转子转速调节到额定转速。这个参考极有可能在功率限制条件下饱和。第二，叶片螺距控制驱动叶片出风，试图限制发电机额定功率。桨距驱动可能会饱和，也可能不会饱和，这取决于风的严重程度，但我们只考虑桨距权威保持的情况。控制的挑战是确保桨距基准和电磁转矩基准有效地限制功率，并且在退出功率限制条件时不会造成不必要的瞬变。

例如，考虑在图1所示的三个风格化风廓线上测试III型风力涡轮机的功率限制能力的场景。III型风力发电机在叶片节距和电磁转矩反馈控制系统上进行了参数设置，使涡轮机表现出如图2所示的有功功率响应。当风机各风廓线均进入可接受的限功率状态时，退出限功率状态较差。它缺乏对称性，因为风速降低时的功率下降并不反映风速增加时的功率上升，并且功率降低时的瞬态对电能质量产生不利影响。

为了改善系统响应，您可以创建一个优化任务，旨在提供对所需对称性的改进拟合并减少瞬态效应。您还可以定义响应边界，其中以所需的置信度指定对称性，如图3所示的边界。图3中显示的响应说明了优化任务的进展。优化的重点是选择电磁转矩和桨距控制反馈控制系统的参数，以使仿真响应与期望边界之间的误差最小。图4显示了优化的结果，其中自动选择控制参数，以在三个独立风廓线的期望范围内提供改进的有功功率拟合。

无功支撑

在故障后的情况下，III型和IV型风力涡轮机可能需要提供无功支持，以帮助电压恢复。由于风力发电变流器的容量是在有功和无功之间共享的，因此在故障后状态下有功潮流的减少将增加可用于电压恢复的无功容量。

图5为带和不带增加无功容量控制功能的ⅳ型风力机在低压工况下的电压响应。在本例中，控制功能是通过桨距驱动减少有功输出，增加功率变流器中的无功容量。此外，电磁转矩在无功支持期间保持轴转速不变。一旦无功功率支持期结束，桨距控制将使有功功率恢复到标称水平。无功容量增大的水轮机对电压的支持响应更好。

无功支持期结束后，风力机可恢复到全有功控制状态，并将其有功输出恢复到标称水平。显然，不仅有效地支持低压恢复，而且在低电压后条件下迅速建立标称功率水平，都是有好处的。可使用自动参数调优来选择将达到指定性能界限的控制增益。图6显示了一个优化任务的示例，该任务在无功功率支持期间和之后减少并恢复有功功率。叠加的响应显示了优化的进展。

减轻次同步共振

次同步谐振(SSR)发生在低于系统频率的频率上，通常是由电网上的串联电容和涡轮轴的扭转模态之间的相互作用引起的。

III型和IV型风力涡轮机都提供了在涡轮机上局部解决SSR的机会，尽管每种技术的SSR缓解机制不同。

对于III型风力发电机，转子轴扭振模式与电网上的串联电容之间存在直接的机电相互作用。因此，必须主动控制转子的转矩，以减轻局部控制的SSR响应。

计算机仿真可以探索不同的架构选择，以确定给定控制功能的可行性。在所示的示例中，使用涡轮轴上的双质量模型建模了程式化的扭转模式，该模型将与电网上的串联电容器相互作用。所考虑的控制结构是一个辅助反馈信号，旨在通过转子侧变换器为电磁转矩提供阻尼。

图7显示了在III型风力涡轮机的转子侧变流器中使用辅助阻尼来缓解SSR的示例。在这种情况下，不考虑桨距控制，因为SSR频率超出了桨距执行器的带宽。

对于IV型风力机，电网变流器和发电机变流器之间的直流链路自然地减少了轴的扭转模态与电网上串联电容之间的相互作用，从而通过被动手段使SSR效应最小化。直流电容器的大小将影响存在的相互作用的数量:直流电容器越大，相互作用越少。如果直流电容的尺寸仍然存在令人反感的SSR水平，则考虑类似于第三类讨论中描述的辅助信号控制策略。

图8显示了连接到串联补偿传输线的示例IV型配置的直流电容值对扭转振荡的影响。在8秒时应用故障，然后在一个周期后清除，导致扭矩放大发生。正如预期的那样，直流电容值的增加导致故障清除后转矩幅度的减小。

蒙特卡罗模拟

在为每个控制功能选择控制参数后，蒙特卡罗测试可以通过大量的运行场景确定系统运行有效性的置信界限。此阶段提供有关控制功能的进一步信息，并可能导致进一步的设计改进。

例如，蒙特卡罗测试可以指出原始设计框架中未考虑的许多操作场景中不可接受的行为。您可以将这些情况合并到优化任务中，以改进这些条件下的响应。

图9显示了12个持续时间为5000秒的风廓线的风力发电机功率输出直方图。给出了原始控制系统和自动调谐控制系统的响应，在功率限制部分中进行了描述。

图9中的图表显示，调整后的控制器在将功率限制在接近机器额定功率时更有效。

为了增强蒙特卡罗测试，并行计算可以加快多个模拟的执行速度。图10显示了在1到4个处理器上运行12个持续时间为5000秒的模拟时的加速情况。通过将多个模拟运行分布在计算集群中更多的处理器上，您可以获得进一步的速度优势。

优化

跨多个处理器运行的蒙特卡罗模拟通过提供控制函数有效性的统计度量提供了额外的好处，从而允许您更清楚地了解与运行特定控制函数相关的风险。

- Graham Dudgeon博士，能源生产行业经理，MathWorks;由CFE Media内容经理Mark T. Hoske编辑，控制工程，设备工程,Consulting-Specifying工程师，mhoske@cfemedia.com．

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