風(fēng)電機(jī)組電動(dòng)變槳距控制系統(tǒng)的研究

朱 波, 張 興, 曾凡超, 曹仁賢

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽合肥 230009;2.合肥陽光電源有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

風(fēng)電機(jī)組變槳距系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有液壓和電動(dòng)2種。液壓控制系統(tǒng)具有傳動(dòng)力矩大、質(zhì)量輕、剛度大、定位精確及動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),能夠保證快速、準(zhǔn)確地把葉片調(diào)節(jié)至預(yù)定槳距角[1,2],但液壓變槳機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜,存在非線性、漏油及卡塞等現(xiàn)象,電動(dòng)變槳距系統(tǒng)可以克服這些缺點(diǎn),槳距角的變化通過對(duì)伺服電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn),其結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、工作可靠[3,4]。隨著變速恒頻發(fā)電方式的提出,有學(xué)者提出以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為輸入信號(hào)設(shè)計(jì)PID調(diào)節(jié)器,從而輸出槳距角命令[5];但是槳距角的變化對(duì)于隨機(jī)變化的風(fēng)速而言是非線性的,為了降低非線性的空氣動(dòng)力學(xué)特性對(duì)輸出功率的影響,設(shè)計(jì)了模糊PID變槳距控制器,從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受參數(shù)變化的影響較小,控制性能得到提高。

本文以發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率與基準(zhǔn)值的差值為輸入信號(hào)設(shè)計(jì)變槳距控制器,向變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出槳距角指令,實(shí)現(xiàn)了在高于額定風(fēng)速階段輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近?；?Matlab/Simulink建立變槳距控制器的仿真模型進(jìn)行研究,結(jié)果驗(yàn)證了該變槳距控制器設(shè)計(jì)的合理性和正確性。

1 變槳距風(fēng)力機(jī)的功率控制策略

1.1 風(fēng)力機(jī)的輸出功率特性

變槳距風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能P與風(fēng)速V、風(fēng)能利用系數(shù)C p、槳距角β和葉尖速比λ之間存在以下關(guān)系[6]：

由(1)～(3)式得風(fēng)力機(jī)的Cp(λ,β)特性曲線,如圖1所示,由圖 1可看出,對(duì)于某一固定的β,存在唯一的最大風(fēng)能利用系數(shù);對(duì)于任意的 λ,β=0°時(shí)C p相對(duì)最大,隨著 β的增大 ,C p明顯減小。因而,在額定風(fēng)速以下,保持β=0°,在高于額定風(fēng)速階段,通過調(diào)節(jié)槳距角的大小使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。

圖1 變槳距風(fēng)力機(jī)的C p(λ,β)特性曲線

1.2 風(fēng)力機(jī)的功率控制策略

在不同的風(fēng)速段,風(fēng)電機(jī)組的輸出功率控制策略有所不同,可以按切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速劃分為4部分,如圖2所示。

在第1和第4部分風(fēng)力機(jī)不工作,即風(fēng)力機(jī)處于停機(jī)狀態(tài),直至風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速;第2部分處于切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間,這一階段通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,在此區(qū)域內(nèi),設(shè)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為 ωref,帶入(3)式得到 λmax,此時(shí) β=0゜,即跟蹤最大功率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲;第3部分處于額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間,這一階段需要投入槳距角控制器,以控制風(fēng)力機(jī)輸出功率的大小,即當(dāng)實(shí)際輸出功率大于額定輸出功率時(shí),增大槳距角以減少風(fēng)能的捕獲,反之亦然,從而在此區(qū)域內(nèi)通過調(diào)節(jié)槳距角保持風(fēng)力機(jī)輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。

圖2 各風(fēng)速段風(fēng)力機(jī)參數(shù)的變化情況

2 電動(dòng)變槳距控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)變槳距控制系統(tǒng)的工作原理

通過研究發(fā)現(xiàn),合理地控制槳葉的槳距角可以減小塔架的振蕩和槳葉的載荷,從而減小風(fēng)力機(jī)的疲勞度,延長(zhǎng)風(fēng)力機(jī)的使用壽命。電動(dòng)變槳距控制系統(tǒng)通過槳距角控制器得到槳距角指令,進(jìn)而把槳距角指令轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的控制信號(hào),以此實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉位置的控制。伺服電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)采用電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)和位置環(huán)的3環(huán)控制結(jié)構(gòu),3環(huán)一般采用PI調(diào)節(jié)器,其參數(shù)的整定針對(duì)不同的要求,按典型Ⅰ型系統(tǒng)或典型Ⅱ型系統(tǒng)來設(shè)計(jì)[7],對(duì)i d和i q進(jìn)行控制可以分別控制轉(zhuǎn)矩和位置,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉位置的控制。

2.2 槳距角控制器的設(shè)計(jì)

由上述分析可知,變槳距控制器的設(shè)計(jì)是電動(dòng)變槳距系統(tǒng)的重要組成部分,當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí),風(fēng)電機(jī)組通過控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟蹤最大功率點(diǎn),此時(shí)保持β=0°;當(dāng)實(shí)際風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí),不能再通過對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制來增加發(fā)電機(jī)的輸出功率,否則將使發(fā)電機(jī)過載[8],此時(shí)需要啟動(dòng)變槳距控制器,通過增大槳距角以減少風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能,保證風(fēng)電機(jī)組的輸出功率在高于額定風(fēng)速階段穩(wěn)定在額定功率附近。

通常,變槳距控制器是基于風(fēng)力機(jī)的線性化模型設(shè)計(jì)的,能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)槳距角的控制,但實(shí)際中風(fēng)力機(jī)具有強(qiáng)非線性,所以基于線性化模型的設(shè)計(jì)具有局限性,當(dāng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行點(diǎn)偏離其線性化點(diǎn)時(shí),控制器的性能明顯變差,甚至?xí)鹣到y(tǒng)的不穩(wěn)定,因此本文設(shè)計(jì)了模糊PID變槳距控制器,利用模糊推理規(guī)則對(duì) KP、KI和 KD3個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行在線調(diào)整,如圖3所示。

圖3 模糊PID參數(shù)自整定控制器的原理

本文設(shè)計(jì)的變槳距控制器通過3個(gè)雙輸入-單輸出模糊控制器調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)。在變槳距功率控制的過程中,模糊控制器根據(jù)功率偏差信號(hào)e及其變化率調(diào)節(jié)KP、KI和KD的數(shù)值,其整定規(guī)則如下：

(1)當(dāng)|e|較大時(shí),為加快系統(tǒng)的響應(yīng),減緩|e|變大的趨勢(shì),應(yīng)取較大的KP;為防止積分飽和,避免出現(xiàn)過大的超調(diào),去掉積分作用,即KI=0;KD的大小與的方向有關(guān),取大小適中。

(2)當(dāng)|e|中等大小時(shí),由于既要考慮系統(tǒng)的響應(yīng)速度,又要減小系統(tǒng)的超調(diào),可適當(dāng)減小KP;同時(shí)引入積分環(huán)節(jié),但KI應(yīng)取較小值;KD與的方向有關(guān),但應(yīng)取較小值。

(3)當(dāng)|e|比較小時(shí),為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能,應(yīng)取適中的KP;為減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,可取較大的KI;為避免系統(tǒng)在穩(wěn)定值附近振蕩,同時(shí)考慮系統(tǒng)的抗干擾性,可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況選取較適宜的KD。

表1 K P的模糊控制規(guī)則

表2 K I的模糊控制規(guī)則

表3 K D的模糊控制規(guī)則

2.3 電動(dòng)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

電動(dòng)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型如圖4所示,槳距角基準(zhǔn)值βref由變槳距控制器給出,并與實(shí)際β比較得出Δβ,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)改變槳距角。由于大容量的風(fēng)力機(jī)槳葉重達(dá)數(shù)噸,槳距角的變化速率和角度的變化范圍都有飽和限制,當(dāng)槳距角及其變化速率小于飽和限度時(shí),槳距角變化呈線性。本文設(shè)計(jì)的變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一階延遲系統(tǒng)表示,其數(shù)學(xué)模型可以描述為：

其中,槳距角的變化率限幅為 10(°)/min;τβ=5 min。

圖4 變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型

3 仿 真

本文基于Matlab/Simulink建立隨機(jī)風(fēng)況下變槳距控制器的仿真模型,具體參數(shù)如下：發(fā)電機(jī)的額定容量為 800 k W,風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子半徑R=25 m,額定風(fēng)速V n=12 m/s。其中風(fēng)速模型輸出風(fēng)速如圖5a所示,其平均值為10 m/s,波動(dòng)為20%。該隨機(jī)風(fēng)速下的輸出功率波形如圖5b所示,由圖5b可見,在額定風(fēng)速以下,輸出功率隨風(fēng)速的變化而變化,兩者曲線形狀基本吻合;在額定風(fēng)速以上,輸出功率保持為額定功率。風(fēng)能利用系數(shù)和槳距角曲線如圖5c、圖5d所示。

圖5 風(fēng)速平均值為10 m/s時(shí)的仿真結(jié)果

在額定風(fēng)速以下,保持最大風(fēng)能利用系數(shù)C pmax并且槳距角 β=0°,在額定風(fēng)速以上,變槳距控制器開始工作,此時(shí)β隨風(fēng)速增大而增大,同時(shí)Cp顯著降低,使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。

通過風(fēng)速模型輸出高于額定風(fēng)速的隨機(jī)風(fēng),仿真結(jié)果如圖6所示,由圖6可以看出,系統(tǒng)的輸出功率較好地穩(wěn)定在額定功率附近,達(dá)到了在高于額定風(fēng)速階段起動(dòng)變槳距控制器限制功率輸出的目的。

4 結(jié)束語

圖6 風(fēng)速高于12 m/s時(shí)的仿真結(jié)果

本文在分析風(fēng)力機(jī)輸出功率特性的基礎(chǔ)上,研究了不同風(fēng)速段下的功率控制策略,同時(shí)設(shè)計(jì)了模糊PID變槳距控制器,并在隨機(jī)風(fēng)速下對(duì)其進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的模糊PID變槳距控制器較好地實(shí)現(xiàn)了在風(fēng)速高于額定風(fēng)速階段,通過起動(dòng)變槳距控制器及時(shí)、準(zhǔn)確地控制槳葉的位置,實(shí)現(xiàn)了在高于額定風(fēng)速階段輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近,從而證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

[1] Senjyu T,Sakamoto R,Urasaki N,et al.Output power leveling of wind turbine generator for all operating regions by pitch angle control[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2006,21(2)：467-475.

[2] Boes C,Helbig A.Intelligent hyd raulic pitch control valve for wind turbines[C]//The International Conference on Hydraulic Machinery and Equipments, Timisoara,2008：287-296.

[3] 林勇剛,李 偉,陳曉波,等.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獨(dú)立槳葉控制系統(tǒng)[J].太陽能學(xué)報(bào),2005,26(6)：780-786.

[4] Geng Hua,Zhou Honglin,Zhou Weisong,et al.Performance verification of theinverse-systeMcontroller for the variablespeed variable-pitch wind generation system[C]//Power E-lectronics Specialists Conference,2008：3311-3314.

[5] Slootweg J G,Kling W L.Aggregated modelling of wind park s in p ower systeMdynamics simulations[C]//Power Tech Conference Proceedings,Bologna,Italy,2003：23-26.

[6] Liu Hongwei,Lin Yonggang,Li Wei.Study on control strategy of individual blade pitch-controlled wind turbine[C]//The 6th World Congress on Intelligent Control and Automation,Dalian,China,2006：6489-6492.

[7] 張崇巍,張 興.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005：112-123.

[8] Erlich I,Rensch K,Shewarega F.Impact of large wind power generation on frequency stability[C]//Power Engineering Society General Meeting,2006：1-8.