帶增益調(diào)度的風(fēng)力發(fā)電變槳距控制研究

O 引言
    現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電興起于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過多年的發(fā)展，從最初的定槳距到現(xiàn)在的變槳距，從恒速恒頻到如今的變速恒頻，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已較為成熟，基本實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能夠向電網(wǎng)供電到理想地向電網(wǎng)供電的最終目標(biāo)。
    近年來變槳距機(jī)組逐漸成為風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型，變槳距是指安裝在輪轂上的葉片可以借助控制技術(shù)改變其槳距角的大小，從而改變?nèi)~片氣動特性，使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善，并使風(fēng)力機(jī)在高風(fēng)速時可以輸出更多功率且使輸出功率更加平穩(wěn)。槳距角的控制量可以是風(fēng)速、機(jī)組輸出功率或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，由于精確測量風(fēng)速十分困難，本文選擇一種由機(jī)組的輸出功率來控制槳距角的控制策略，通過仿真驗證了這種控制策略的可行性，然后引入一種帶增益調(diào)度控制的控制策略，仿真證明這種控制策略可達(dá)到更好的控制效果。

l 變槳距控制原理
    變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制主要通過兩個階段來實現(xiàn)：在額定風(fēng)速以下時，保持最優(yōu)槳距角不變，采用最大功率跟蹤法(MPPT)，通過變流器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，使風(fēng)能利用系數(shù)保持最大，風(fēng)機(jī)一直運(yùn)行在最大功率點(diǎn)；在額定風(fēng)速以上時，通過變槳距系統(tǒng)改變槳距角來限制風(fēng)輪獲取能量，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保持在額定功率發(fā)電。而對于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，由于其槳距角不能改變，只能通過風(fēng)機(jī)的失速特性來降低風(fēng)能的吸收，因此在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時不能維持額定功率輸出，輸出功率反而會下降。
    下面的公式是風(fēng)速為V1時風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能P，其中P為空氣密度，S為風(fēng)輪掃掠面面積，CP為風(fēng)能利用系數(shù)，它是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)。

    由以上幾個式子可以得到變槳距風(fēng)力機(jī)的(CP一β)特性曲線，見圖1。

    從圖中可得出以下兩點(diǎn)：
    (1)對于某一固定槳距角β，存在唯一的風(fēng)能利用系數(shù)最大值Cpmax，對應(yīng)一個最佳葉尖速比λopt；
    (2)對于任意的尖速比λ，槳距角β=0°下的風(fēng)能利用系數(shù)CP相對最大。槳葉節(jié)距角增大，風(fēng)能利用系數(shù)CP明顯減小。
    以上兩點(diǎn)即為變速恒頻變槳距控制的理論依據(jù)：在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，槳葉節(jié)距角β=0°，通過變速恒頻裝置，風(fēng)速變化時改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使風(fēng)能利用系數(shù)恒定在Cpmax，捕獲最大風(fēng)能；在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角從而減少發(fā)電機(jī)輸出功率，使輸出功率穩(wěn)定在額定功率。
    變槳距風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行過程可以劃分為以下四個階段：
    (1)風(fēng)速小于切入風(fēng)速；
    (2)風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間；
    (3)風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間；
    (4)風(fēng)速大于切出風(fēng)速。
    在風(fēng)速小于切入風(fēng)速時，機(jī)組不產(chǎn)生電能，槳距角保持在90°；在風(fēng)速高于切入風(fēng)速后，槳距角轉(zhuǎn)到0°，機(jī)組開始并網(wǎng)發(fā)電，并通過控制變流器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，使風(fēng)能利用系數(shù)保持最大，捕獲最大風(fēng)能；在風(fēng)速超過額定值后，變槳機(jī)構(gòu)開始動作，增大槳距角，減小風(fēng)能利用系數(shù)，減少風(fēng)輪的風(fēng)能捕獲，使發(fā)電機(jī)的輸出功率穩(wěn)定在額定值；在風(fēng)速大于切除風(fēng)速時，風(fēng)力機(jī)組抱閘停機(jī)，槳距角變到90。以保護(hù)機(jī)組不被大風(fēng)損壞。
    圖2表示了四個階段各個參數(shù)的變化情況。

2 變槳控制策略
    變槳距風(fēng)力機(jī)組的槳距角參考值可由風(fēng)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)輸出功率三個參數(shù)來獨(dú)立控制，但由于風(fēng)速難于精確測量，而且在整個風(fēng)輪掃掠面上的風(fēng)速并不相等，所以本文不用風(fēng)速作為變槳控制量，而選擇電機(jī)輸出功率作為控制槳距角的變量。其控制策略如圖3所示。

    功率反饋信號和功率給定值之間的誤差作為PI控制器的輸入，PI控制器給出槳距角參考值βref，但是由于槳距角的變化對于風(fēng)速而言是非線性的，當(dāng)風(fēng)速在額定值附近時，較小的風(fēng)速變化也需要槳距角改變一個較大的角度才能使輸出功率穩(wěn)定，所以在風(fēng)速超過額定不多的風(fēng)速階段，需要較大的PI控制器增益；而在超過額定風(fēng)速較多的高風(fēng)速段，較大的風(fēng)速變化只需要一個較小的槳距角改變量就可以使輸出功率穩(wěn)定，所以在此風(fēng)速段PI控制器的增益可以較小。所以控制器所需的增益大小和所需的槳距角基本成線性反比關(guān)系，由此提出一種由槳距角大小來調(diào)節(jié)控制器增益的控制策略，即在原有控制系統(tǒng)中加入一個增益調(diào)度控制器，使PI控制器的在所需槳距角較小時有較大的增益，在所需槳距角較大時有較小的增益，此增益控制器由一個多項式實現(xiàn)。帶增益調(diào)度控制器的變槳控制框圖如圖4所示。

    圖5為變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型，其中由控制器給出槳矩角參考值βref，并與實際β比較得出△β，通過變矩驅(qū)動機(jī)構(gòu)改變槳距角。由于大容量的風(fēng)機(jī)槳葉重達(dá)數(shù)噸，考慮到調(diào)節(jié)器疲勞，槳矩角的變化速率要有限制，且其角度也有限制，即其動態(tài)特性是在槳矩角和槳矩速率上都有飽和限制的非線性動態(tài)，當(dāng)槳矩角和槳矩速率小于飽和限度時，槳矩動態(tài)呈線性。
    變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型可以描述如下：

   

3 變槳控制仿真
    本文研究的重點(diǎn)是風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以上的變槳控制，所以仿真區(qū)域選定在風(fēng)速高于額定值且風(fēng)速變化較大的階段，在此階段，捕獲的風(fēng)能變化量引起的轉(zhuǎn)速變化通過改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩來平衡，且由于風(fēng)輪的大慣性，可以認(rèn)為風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。仿真中用到的風(fēng)力機(jī)組參數(shù)有：機(jī)組額定輸出功率l 500kW，額定風(fēng)速14m／s，風(fēng)輪半徑35m。圖6是對兩種控制測量進(jìn)行仿真得到的仿真波形。
    從圖6中可以看出，用機(jī)組輸出功率來控制槳距角可以滿足變槳控制的需要。在額定風(fēng)速以上，通過變槳距控制可以在風(fēng)速增大時調(diào)大槳距角，減小風(fēng)能利用系數(shù)，限制風(fēng)機(jī)對風(fēng)能的捕獲，而在風(fēng)速減小時通過調(diào)小槳距角來增大風(fēng)能利用系數(shù)，使機(jī)組的輸出功率一直保持在額定值。

4 結(jié)束語
    從仿真結(jié)果中可以看出，兩種控制策略都可以滿足變槳控制的控制目標(biāo)，但是帶增益調(diào)度控制器的控制策略有更好的控制效果。在風(fēng)速高于額定較多的較大風(fēng)速階段，兩種控制策略的控制效果相差不大；但在風(fēng)速更接近額定，所需槳距角較小的階段，帶增益調(diào)度的控制策略使槳距角變化更加靈敏，可以輸出更大功率，并且輸出功率更加平穩(wěn)。