兆瓦級風力發(fā)電機組變槳距控制系統(tǒng)研究

0 引言
    風能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。隨著能源消耗日益增長，環(huán)境進一步惡化，世界各國都把發(fā)展可再生的“綠色”能源作為本國能源戰(zhàn)略的重點。風力發(fā)電是風能利用的主要方式，近年來我國在風電技術和風電產(chǎn)業(yè)方面都取得了長足進步，但是在兆瓦級風力發(fā)電機組的設計技術和制造技術方面都還處于起步階段，自主創(chuàng)新能力還很薄弱實踐經(jīng)驗積累不足，控制技術與國外先進技術有較大差別。
    變槳距控制系統(tǒng)作為兆瓦級風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的核心部分之一，對機組安全、穩(wěn)定、高效的運行具有十分重要的作用。穩(wěn)定的變槳距控制已成為當前兆瓦級風力發(fā)電機組控制技術研究的熱點和難點之一。因此，有必要對兆瓦級風力發(fā)電機組的變槳距控制系統(tǒng)進行詳細對比分析和研究。本文結合國外兆瓦級風力發(fā)電機組的發(fā)展現(xiàn)狀，對風力發(fā)電機組變槳距系統(tǒng)控制的結構和控制原理進行分析。并利用PID控制方法對模型進行簡要的仿真，以驗證模型的正確性。

1 風力機空氣動力學特性分析
    在外界風力的作用下，風輪旋轉產(chǎn)生機械能，帶動發(fā)電機輸出電能。但實際上風力機不能將風輪掃及面上的全部風能轉換為旋轉的機械能，存在風能利用系數(shù)Cp：

 式中：Pin一風輪掃及面內(nèi)的全部風能；Pout一風輪吸收的機械能；ρ一空氣密度；A一風輪掃及面積；v—風輪上游風速。
    變槳距風力機的風能利用系數(shù)Cp與尖速比λ和槳葉的節(jié)距角β成非線性關系。尖速比即為槳葉尖部的線速度與風速之比：

式中：n——風輪的轉速；ω一風輪轉動角速度；R一風輪半徑。
    據(jù)有關資料的記載和研究，風力機部分的風能利用系數(shù)Cp可近似用以下公式表示：

在上式的基礎上可以，通過Mat1ab進行計算可以得到大致的風輪變槳距的葉尖速比與風能利用率之比：

從圖1中可以得到以下結論：
    1)在某一個特定的槳距角β下，不管葉尖速比如何變化，僅存在唯一的風能利用系數(shù)最大值Cpmax，且僅有0．5左右；
    2)對于任意的尖速比λ，槳葉節(jié)距角β=O°下的風能利用系數(shù)相對最大，隨著槳葉角不斷增大，風能利用系數(shù)迅速減小。

2 風力發(fā)電機組的模型
    本論文以兆瓦級的變槳距變速風力發(fā)電機組為研究對象。假設所采用的風力發(fā)電機組由一水平軸可變距風輪，通過增速器與發(fā)電機連接而成，系統(tǒng)方框圖如下圖：

為設計好控制器，建立風力發(fā)電機的動態(tài)模型是必要的前提條件。風力發(fā)電機組從控制系統(tǒng)角度來看可以分為三個子系統(tǒng)：風輪氣動特性、傳動特性和發(fā)電機模型。
2．1 風輪氣動特性
    在系統(tǒng)中，我們假定可變距的槳葉是剛性的。
    由式(1)，風輪吸收的功率(機械能)為：

風輪的動態(tài)模型由以下運動方程表示：

式中：Jr一風輪的轉動慣量，kgm2；ωr一風輪轉動的角速度，rad／s；Tr一風輪的氣動轉矩，N·m；n一齒輪箱增速器的傳動比；Tm一從轉動軸傳遞給剛性齒輪的扭矩，N·m。
    風輪轉矩與功率之間的關系為：

2．2 傳動系統(tǒng)動態(tài)特性
    風輪將風的動能轉換成風輪軸上的機械能，然后這個能量要變成所需要的電能，而電能由高速旋轉的發(fā)電機來產(chǎn)生。由于葉尖速度的限制，風輪旋轉速度較慢，而發(fā)電機不能太重，而極對數(shù)較少，發(fā)電機轉速要盡可能的高，因此就要在風輪與發(fā)電機之間連接齒輪箱增速器，把轉速提高，達到發(fā)電機的轉速。
    根據(jù)風輪氣動特性，風輪產(chǎn)生的轉矩Tr作用于帶有轉動慣量Jr的風輪上。風輪通過增速比為n的增速器連接到轉動慣量Jg的發(fā)電機，發(fā)電機將產(chǎn)生一反扭矩Te。由于風輪、輸入軸和增速器之間的剛性連續(xù)，因此忽略傳動系統(tǒng)中的總摩擦力和輸出軸上的相對角位移。
2．3 發(fā)電機
    本論文中所涉及到的發(fā)電機為繞線式三相異步發(fā)電機，因此是通過改變定子電壓而改變發(fā)電機反力矩和轉速來實現(xiàn)變速的。

式中：p一發(fā)電機極對數(shù)；m1一電機定子相數(shù)；U1一電網(wǎng)電壓，V；Cl一修正系數(shù)；ωg一發(fā)電機轉動的角速度，rad／s；ω1一發(fā)電機同步轉速，rad／s；r1，x1一分別為定子繞組的電阻和漏抗，Ω；r2，x2一分別為歸算后轉子繞組的電抗和漏抗，Ω。
    發(fā)電機轉動方程：

式中：Jg——發(fā)電機的轉動慣量，kg·m2；Te一發(fā)電機反力矩，N·m。
    風輪軸角速度與發(fā)電機轉速之間關系由下式表示：

3 兆瓦級變槳距變速風力發(fā)電機組的變槳距控制策略
    根據(jù)變槳距變速風力發(fā)電機在不同區(qū)域的運行情況，將基本控制策略確定為：低于額定風速時，跟蹤Cpmax曲線，以獲得最大能量；高于額定風速時，跟蹤Pmax曲線，并保持輸出穩(wěn)定。
    假設啟動前發(fā)電機組的槳葉節(jié)距角處于某一恒定角度。當風速達到啟動風速后，風輪轉速由零增大到發(fā)電機可以切入的轉速，Cp值不斷上升，風力發(fā)電機組開始發(fā)電運行。通過對發(fā)電機轉速進行控制，風力發(fā)電機組逐漸進入Cp恒定區(qū)(Cp=Cpmax)，這時機組在最佳狀態(tài)下運行。隨風速增大，轉速也增大，最后達到一個允許的最大值，這時，只要功率低于允許的最大功率，轉速便保持恒定。達到功率極限后，發(fā)電機組進入功率恒定區(qū)，這時隨風速的增大，必須使Cp值減小，使葉尖速比減少的速度比在轉速恒定區(qū)更快，從而使風力發(fā)電機組在較小的Cp值下作恒定功率運行。

4 PID控制器及MATLAB仿真結果
    PID控制是工業(yè)控制中基本且最常見的方法。PID控制器形式比較簡單，它由比例、積分和微分(Proportional—Integral一Derivative)構成，其傳遞函數(shù)為：

式中：Kp、Ki和Kd分別是比例、積分和微分增益。
    PID參數(shù)的整定就是根據(jù)被控對象特征和所希望的控制性能要求決定三個參數(shù)(Kp、Ki、Kd)。
    在低于額定風速時，控制的目標是尋求最大功率系數(shù)以捕獲最大風能。從風電廠實驗數(shù)據(jù)可知，槳距

角為00，葉尖速比為9時，風能利用系數(shù)Cp的值最大(約為0．4623)。因此，在低于額定風速時，將槳葉節(jié)

距角置于00，而只要調節(jié)風輪轉速，使其與風速之比保持不變(λ=ωrR/v=9)，即可獲得最佳風能利用系

數(shù)Cpmax。采用PID控制器改變發(fā)電機定子電壓，以此調節(jié)發(fā)電機反力矩來改變轉速，選取Kp=150，Ki=2．

5，Kd=7．5(槳葉節(jié)距角最初被置為00)。
    在高于額定風速時，控制的目標是保持輸出功率穩(wěn)定在最大允許值。因此在風速較高時，通常通過調

整槳葉節(jié)距角來調節(jié)功率利用系數(shù)Cp的值，以此保持輸出功率為最大允許值。采用PID控制器調節(jié)槳葉節(jié)

距角來改變Cp的值，選取Kp=O．00007，Ki=O．00001，Kd=0．000001。由此，采用PID控制器在MATLAB中

搭建的系統(tǒng)模型如圖所示：

當風速變化時，各種風況下輸出功率和發(fā)電機轉速的仿真結果如下圖所示。

 當風速v=6m／s時，即風力機達到額定功率前，異步電動機的輸出功率和轉速的仿真如下圖4、圖5所示：
    當風速v=19m／s時，即風力機達到額定功率后，異步電動機的輸出功率和轉速的仿真如下圖6、圖7所示：

5 結論
    本文以1．3MW級風力發(fā)電機組為例，在分析了風能、風力機特性以及異步電機的基礎上，研究了最大風能的追蹤和額定功率保持的控制策略，并以傳統(tǒng)的PID控制方法仿真，結果表明模型的正確性。