基于半物理仿真平臺(tái)的風(fēng)力機(jī)PID控制研究

賀少華+廖明夫+王四季+劉永偉+李浩

摘 要： 針對(duì)變速變槳風(fēng)力機(jī)組的特點(diǎn)，基于風(fēng)力機(jī)半物理仿真平臺(tái)，根據(jù)建立的組合風(fēng)速模型及風(fēng)力機(jī)不同的運(yùn)行區(qū)域，研究了考慮機(jī)械傳遞、阻尼等因素的風(fēng)力機(jī)PID控制方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，真實(shí)物理平臺(tái)實(shí)驗(yàn)更能體現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的機(jī)械特性，建立的PID控制方法也較為貼近真實(shí)風(fēng)機(jī)的控制特性。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組； 風(fēng)速模型； 半物理仿真平臺(tái)； PID控制

中圖分類號(hào)： TN911.7?34； TK81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）13?0132?04

Wind turbine PID control based on semi?physical simulation platform

HE Shao?hua， LIAO Ming?fu， WANG Si?ji， LIU Yong?wei， LI Hao

（Institute of Monitoring and Control for Rotating Machinery and Wind Turbines， Northwestern Polytechnic University， Xian 710072， China）

Abstract： The control method of taking accounting of mechanical transmission and damping is researched on the basis of the characteristics of variable speed variable pitch wind turbines， the wind turbine semi?physical simulation platform， and the established model of wind speed and different operating regions of wind turbines. The experiment verification of the method was conducted. The results showed that the experiment of real physical platform can reflect the mechanical properties of the wind turbines better， and the established PID control method is relatively close to the control characteristics of real wind turbines.

Keywords： wind turbine； wind speed model； semi?physical simulation platform； PID control

0 引 言

近年來，隨著風(fēng)電市場(chǎng)的擴(kuò)大和變速變槳風(fēng)力機(jī)的發(fā)展，風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)越來越重要。但是，由于風(fēng)力機(jī)工作的風(fēng)速具有隨機(jī)性、間歇性特點(diǎn)，加上能量傳遞鏈的柔性結(jié)構(gòu)及隨轉(zhuǎn)速變化的機(jī)械阻尼的影響，風(fēng)力機(jī)的控制成為一個(gè)難題。在真實(shí)風(fēng)力機(jī)上進(jìn)行控制研究，因工作量大、風(fēng)速不穩(wěn)及較難對(duì)外界影響因素進(jìn)行控制，難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[1]建立了風(fēng)速的四分量時(shí)域模型，在不同的風(fēng)速下對(duì)風(fēng)力機(jī)性能進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[2]采用PD方法對(duì)風(fēng)力機(jī)組進(jìn)行控制仿真研究。上述研究均建立在Matlab/Simulink仿真的基礎(chǔ)上，與真實(shí)風(fēng)力機(jī)控制有一定差距，不能很好地體現(xiàn)出風(fēng)力機(jī)的機(jī)械特性。因此，本文研究了基于風(fēng)力機(jī)半物理仿真平臺(tái)，考慮機(jī)械特性的PID控制方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 風(fēng)速模型

在風(fēng)力機(jī)控制研究中，首要任務(wù)是建立合適的風(fēng)速模型。風(fēng)速模型的選用直接影響到整個(gè)風(fēng)力機(jī)性能的檢測(cè)。好的模型，能反映自然風(fēng)的隨機(jī)性及間歇性的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]闡述了組合風(fēng)速模型。該模型計(jì)算簡單，容易實(shí)現(xiàn)，且能較好的反應(yīng)自然風(fēng)的主要特征。模型分為4個(gè)部分：基本風(fēng)速，反映風(fēng)場(chǎng)平均風(fēng)速的變化；陣風(fēng)，反映風(fēng)速突然變化的特性；漸變風(fēng)，反映風(fēng)速的漸變變化特性；噪聲風(fēng)，反映風(fēng)速在相對(duì)某高度上的隨機(jī)變化特性。

使用Matlab/Simulink建立組合風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型，得到風(fēng)速的曲線如圖1所示。

圖1 模擬風(fēng)速曲線

2 控制方法

2.1 風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域

實(shí)際運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以劃分為以下幾個(gè)階段[4]：

（1） 啟動(dòng)區(qū)。風(fēng)速在切入風(fēng)速以下時(shí)，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)相脫離，發(fā)電機(jī)不發(fā)電，機(jī)組只在風(fēng)力作用下做機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速，一般為3～3.5 m/s左右，持續(xù)5～10 min左右，風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)。

（2） [Cp]恒定區(qū)。發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)，風(fēng)速在額定風(fēng)速以下的區(qū)域。風(fēng)力機(jī)開始發(fā)電。根據(jù)風(fēng)速，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，機(jī)組始終保持在最佳葉尖速比[（Cp]恒定），最大限度捕獲風(fēng)能。

（3） 轉(zhuǎn)速恒定區(qū)。由于風(fēng)速的持續(xù)增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加到機(jī)組允許的最大轉(zhuǎn)速。保持這一轉(zhuǎn)速不變，隨著風(fēng)速的持續(xù)增大，葉尖速比[λ]略有減小，風(fēng)能利用系數(shù)[Cp]也減小，但是機(jī)組的功率仍在增大。

（4） 功率恒定區(qū)。隨著機(jī)組功率的持續(xù)增大，發(fā)電機(jī)及變流器達(dá)到功率極限。機(jī)組控制槳葉開始變槳，[Cp]進(jìn)一步變小，從而維持整個(gè)機(jī)組的功率恒定。

2.2 控制方法設(shè)計(jì)

本文實(shí)驗(yàn)基于風(fēng)力機(jī)半物理仿真平臺(tái)，分為風(fēng)輪模擬轉(zhuǎn)矩輸入模塊及模擬風(fēng)力機(jī)控制模塊，兩個(gè)模塊配合同時(shí)進(jìn)行。

2.2.1 風(fēng)力機(jī)半物理仿真平臺(tái)

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)用風(fēng)力機(jī)半物理仿真平臺(tái)主要包括三個(gè)部分：

（1） 計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)。主要是將風(fēng)力機(jī)的建模參數(shù)、模擬風(fēng)速、葉片參數(shù)、變槳角度及主軸實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速等輸入到風(fēng)輪輸入模擬程序中，從而得到相應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩。

（2） 風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模擬系統(tǒng)。根據(jù)計(jì)算得到的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制，通過減速機(jī)，對(duì)模擬風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)部分提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。

（3） 模擬風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)。主要根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，基于某種控制策略，得到相應(yīng)的發(fā)電機(jī)控制轉(zhuǎn)矩，從而對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，達(dá)到風(fēng)力機(jī)最大功率的風(fēng)能捕獲。

2.2.2 風(fēng)輪模擬轉(zhuǎn)矩輸入模塊

風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪從風(fēng)中獲得的轉(zhuǎn)矩為[5]：

[TT=12CTλ，βρπv2R3] （1）

式中：[TT]為風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，單位：N·m；[CT]為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；[λ=RΩv，]為葉尖速比；[β]為風(fēng)力機(jī)槳距角，單位：（°）；[ρ]為空氣密度，單位：kg/m3；[v]為風(fēng)速，單位：m/s；[R]為葉片半徑，單位：m；

轉(zhuǎn)矩系數(shù)[CT，]可由式[CT=Cpλ]計(jì)算得到。其中，[Cp]為風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，與葉尖速比[λ、]槳距角[β]成非線性關(guān)系[6]：

[Cpλ，β=0.22116λi-0.4β-5e-12.5λi] （2）

[1λi=1λ+0.08β-0.035β3+1] （3）

圖2 風(fēng)力機(jī)半物理仿真平臺(tái)

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪從空氣中獲得的轉(zhuǎn)矩，可用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。本文以某型風(fēng)力機(jī)為原型，經(jīng)比較，6次多項(xiàng)式擬合函數(shù)誤差較小，可以滿足仿真模擬需求。

[CTλ=a0+i=16aiλi] （4）

式中：[a0，][a1，]…，[a6]為多項(xiàng)式系數(shù)。擬合曲線如圖3所示，多項(xiàng)式系數(shù)見表1。

圖3 某型風(fēng)力機(jī)力矩系數(shù)擬合曲線

當(dāng)風(fēng)速位于啟動(dòng)區(qū)轉(zhuǎn)速恒定區(qū)之間時(shí)（3～11.14 m/s），葉尖速比始終保持設(shè)計(jì)葉尖速比[λD；]當(dāng)風(fēng)速位于轉(zhuǎn)速恒定區(qū)與功率恒定區(qū)之間時(shí)（11.14～12 m/s），轉(zhuǎn)速不變，葉尖速比隨著風(fēng)速而變化。由式（4）計(jì)算可得啟動(dòng)區(qū)到功率恒定區(qū)之間的理論轉(zhuǎn)矩。當(dāng)風(fēng)速處于功率恒定區(qū)（12～25 m/s），由于研究用的半物理平臺(tái)沒有變槳模塊，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩設(shè)定為理論最大值保持不變，為理想值，與真實(shí)情況有所差異。最后，上位機(jī)通過RS 232串口，將計(jì)算得到的理論轉(zhuǎn)矩，傳送給變頻器作為給定值，變頻器的內(nèi)部處理器通過矢量控制算法進(jìn)行處理，提供給異步電動(dòng)機(jī)電源信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)按照指定方式提供轉(zhuǎn)矩[8]。

2.2.3 風(fēng)力機(jī)控制模塊

風(fēng)力機(jī)工作在[Cp]恒定區(qū)，載荷通常比較小，可以通過控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使風(fēng)力機(jī)始終工作在最佳葉尖速比，從而實(shí)現(xiàn)最大功率的風(fēng)能捕獲。廣泛采用的一種控制率為[T=Kω2，]其中[T]為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制值；[K]為常數(shù)，可以通過風(fēng)力機(jī)工作在設(shè)計(jì)葉尖速比獲得；[ω]為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速[9]。風(fēng)力機(jī)工作在轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。風(fēng)力機(jī)工作在功率恒定區(qū)，變槳機(jī)構(gòu)開始工作，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速PID控制器框圖[10]，如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器框圖

PID控制器使用增量式的PID控制方法，相比于位置式PID，具有計(jì)算量小、不容易累計(jì)誤差、易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無擾動(dòng)切換等特點(diǎn)，予以采用。由于實(shí)驗(yàn)用的半物理仿真平臺(tái)沒有變槳機(jī)構(gòu)，當(dāng)風(fēng)力機(jī)從轉(zhuǎn)速恒定區(qū)過渡到功率恒定區(qū)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持不變，為理論設(shè)計(jì)值。實(shí)際中，根據(jù)采用不同的變槳控制策略，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)有所變化。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文研究的主要內(nèi)容是，通過風(fēng)力機(jī)半物理仿真平臺(tái)上的PID控制，模擬某型風(fēng)力機(jī)PID控制的可能性。某型風(fēng)力機(jī)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

在PID控制中，使用的采樣周期為2 s，控制周期為0.5 s，也就是每2 s采集一次風(fēng)速并進(jìn)行4次PID控制。這樣做的目的是盡量在模擬真實(shí)風(fēng)力機(jī)控制的前提下，防止搭建的仿真平臺(tái)操作頻繁，出現(xiàn)沖擊，從而毀壞設(shè)備。采用圖1的模擬風(fēng)速曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖9所示。

圖5 風(fēng)力機(jī)輸入扭矩曲線

圖6 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定曲線

圖7 發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線

由上述的數(shù)據(jù)以及仿真曲線，可知：

（1） 通過PID控制，低風(fēng)速情況下，風(fēng)力機(jī)葉尖速比始終持在最大葉尖速比附近。高風(fēng)速情況下，風(fēng)力機(jī)通過變槳以及減小葉尖速比，保持了功率的基本恒定。從而保證了風(fēng)力機(jī)最大功率的風(fēng)能捕獲。

圖8 風(fēng)力機(jī)輸出功率曲線

圖9 風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線

（2） 由于風(fēng)力機(jī)的功率及風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速的立方，平方成正比。所以在風(fēng)速出現(xiàn)擾動(dòng)的情況下，風(fēng)機(jī)也會(huì)出現(xiàn)較大擾動(dòng)。

（3） 圖5及圖7的0～250 s時(shí)間內(nèi)，輸入的轉(zhuǎn)矩以及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速都需要從0調(diào)節(jié)到一個(gè)固定的值，在風(fēng)速大于切入風(fēng)速以后再重新調(diào)節(jié)。是因?yàn)榇罱ǖ娘L(fēng)力機(jī)仿真模擬平臺(tái)，啟動(dòng)的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)部分需要給定一個(gè)較小的轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)部分需要給定一個(gè)較小的轉(zhuǎn)速。不然平臺(tái)由于機(jī)械故障，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)，從而影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。實(shí)際中的風(fēng)力機(jī)切入風(fēng)速以下的時(shí)候，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速變化，發(fā)電機(jī)不接入電網(wǎng)。

（4） 圖6及圖7為仿真過程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值與實(shí)際值。除0～250 s發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速從0到達(dá)一定的設(shè)定值，其他時(shí)間內(nèi)設(shè)定值與實(shí)際值非常接近，誤差控制在很小的范圍，證明所采用的PID轉(zhuǎn)速控制方法有效。

（5） 風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)部分轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的擾動(dòng)較大，是因?yàn)樵谡鎸?shí)的風(fēng)力機(jī)中，始終存在機(jī)械故障，如不對(duì)中、齒輪箱問題等，從而影響到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)變速變槳風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)，研究了考慮風(fēng)力機(jī)機(jī)械特性的PID控制方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1） 真實(shí)的物理平臺(tái)實(shí)驗(yàn)與Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)存在著一定的差異性，由于物理仿真平臺(tái)的機(jī)械特性，仿真過程中往往需要根據(jù)實(shí)際情況，完善控制策略，即風(fēng)力機(jī)控制策略中必須考慮機(jī)械特性。

（2） PID控制方法具有易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以看出，其具有良好的控制效果。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給風(fēng)力機(jī)的PID控制提供了參考。

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本文針對(duì)變速變槳風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)，研究了考慮風(fēng)力機(jī)機(jī)械特性的PID控制方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1） 真實(shí)的物理平臺(tái)實(shí)驗(yàn)與Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)存在著一定的差異性，由于物理仿真平臺(tái)的機(jī)械特性，仿真過程中往往需要根據(jù)實(shí)際情況，完善控制策略，即風(fēng)力機(jī)控制策略中必須考慮機(jī)械特性。

（2） PID控制方法具有易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以看出，其具有良好的控制效果。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給風(fēng)力機(jī)的PID控制提供了參考。

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本文針對(duì)變速變槳風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)，研究了考慮風(fēng)力機(jī)機(jī)械特性的PID控制方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1） 真實(shí)的物理平臺(tái)實(shí)驗(yàn)與Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)存在著一定的差異性，由于物理仿真平臺(tái)的機(jī)械特性，仿真過程中往往需要根據(jù)實(shí)際情況，完善控制策略，即風(fēng)力機(jī)控制策略中必須考慮機(jī)械特性。

（2） PID控制方法具有易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以看出，其具有良好的控制效果。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給風(fēng)力機(jī)的PID控制提供了參考。

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