朱 波, 張 興, 曾凡超, 曹仁賢

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

0 引 言

風電機組變槳距系統(tǒng)的執(zhí)行機構主要有液壓和電動2種。液壓控制系統(tǒng)具有傳動力矩大、質量輕、剛度大、定位精確及動態(tài)響應快等優(yōu)點,能夠保證快速、準確地把葉片調節(jié)至預定槳距角[1,2],但液壓變槳機構比較復雜,存在非線性、漏油及卡塞等現象,電動變槳距系統(tǒng)可以克服這些缺點,槳距角的變化通過對伺服電機的控制來實現,其結構緊湊、控制靈活、工作可靠[3,4]。隨著變速恒頻發(fā)電方式的提出,有學者提出以風機轉速作為輸入信號設計PID調節(jié)器,從而輸出槳距角命令[5];但是槳距角的變化對于隨機變化的風速而言是非線性的,為了降低非線性的空氣動力學特性對輸出功率的影響,設計了模糊PID變槳距控制器,從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受參數變化的影響較小,控制性能得到提高。

本文以發(fā)電機實際輸出功率與基準值的差值為輸入信號設計變槳距控制器,向變槳距執(zhí)行機構輸出槳距角指令,實現了在高于額定風速階段輸出功率穩(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行研究,結果驗證了該變槳距控制器設計的合理性和正確性。

1 變槳距風力機的功率控制策略

1.1 風力機的輸出功率特性

變槳距風力機捕獲的風能P與風速V、風能利用系數C p、槳距角β和葉尖速比λ之間存在以下關系[6]：

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

圖1 變槳距風力機的C p(λ,β)特性曲線

1.2 風力機的功率控制策略

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

在第1和第4部分風力機不工作,即風力機處于停機狀態(tài),直至風速達到切入風速;第2部分處于切入風速和額定風速之間,這一階段通過轉速調節(jié)器控制發(fā)電機的電磁轉矩,在此區(qū)域內,設基準轉速為 ωref,帶入(3)式得到 λmax,此時 β=0゜,即跟蹤最大功率點實現最大風能的捕獲;第3部分處于額定風速和切出風速之間,這一階段需要投入槳距角控制器,以控制風力機輸出功率的大小,即當實際輸出功率大于額定輸出功率時,增大槳距角以減少風能的捕獲,反之亦然,從而在此區(qū)域內通過調節(jié)槳距角保持風力機輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。

圖2 各風速段風力機參數的變化情況

2 電動變槳距控制系統(tǒng)的設計

2.1 電動變槳距控制系統(tǒng)的工作原理

通過研究發(fā)現,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,從而減小風力機的疲勞度,延長風力機的使用壽命。電動變槳距控制系統(tǒng)通過槳距角控制器得到槳距角指令,進而把槳距角指令轉換為伺服電機的控制信號,以此實現對槳葉位置的控制。伺服電機的控制結構采用電流環(huán)、轉速環(huán)和位置環(huán)的3環(huán)控制結構,3環(huán)一般采用PI調節(jié)器,其參數的整定針對不同的要求,按典型Ⅰ型系統(tǒng)或典型Ⅱ型系統(tǒng)來設計[7],對i d和i q進行控制可以分別控制轉矩和位置,從而實現對槳葉位置的控制。

2.2 槳距角控制器的設計

由上述分析可知,變槳距控制器的設計是電動變槳距系統(tǒng)的重要組成部分,當風速低于額定風速時,風電機組通過控制發(fā)電機的轉速跟蹤最大功率點,此時保持β=0°;當實際風速高于額定風速時,不能再通過對發(fā)電機轉速的控制來增加發(fā)電機的輸出功率,否則將使發(fā)電機過載[8],此時需要啟動變槳距控制器,通過增大槳距角以減少風輪捕獲的風能,保證風電機組的輸出功率在高于額定風速階段穩(wěn)定在額定功率附近。

通常,變槳距控制器是基于風力機的線性化模型設計的,能夠較好地實現對槳距角的控制,但實際中風力機具有強非線性,所以基于線性化模型的設計具有局限性,當風力機運行點偏離其線性化點時,控制器的性能明顯變差,甚至會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定,因此本文設計了模糊PID變槳距控制器,利用模糊推理規(guī)則對 KP、KI和 KD3個參數分別進行在線調整,如圖3所示。

圖3 模糊PID參數自整定控制器的原理

本文設計的變槳距控制器通過3個雙輸入-單輸出模糊控制器調節(jié)PID控制器的參數。在變槳距功率控制的過程中,模糊控制器根據功率偏差信號e及其變化率調節(jié)KP、KI和KD的數值,其整定規(guī)則如下：

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

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

(3)當|e|比較小時,為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能,應取適中的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,同時考慮系統(tǒng)的抗干擾性,可根據系統(tǒng)的實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 電動變槳距執(zhí)行機構的設計

電動變槳距執(zhí)行機構的模型如圖4所示,槳距角基準值βref由變槳距控制器給出,并與實際β比較得出Δβ,進而驅動伺服電機改變槳距角。由于大容量的風力機槳葉重達數噸,槳距角的變化速率和角度的變化范圍都有飽和限制,當槳距角及其變化速率小于飽和限度時,槳距角變化呈線性。本文設計的變槳距執(zhí)行機構以一階延遲系統(tǒng)表示,其數學模型可以描述為：

其中,槳距角的變化率限幅為 10(°)/min;τβ=5 min。

圖4 變槳執(zhí)行機構模型

3 仿 真

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

圖5 風速平均值為10 m/s時的仿真結果

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

通過風速模型輸出高于額定風速的隨機風,仿真結果如圖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,達到了在高于額定風速階段起動變槳距控制器限制功率輸出的目的。

4 結束語

圖6 風速高于12 m/s時的仿真結果

本文在分析風力機輸出功率特性的基礎上,研究了不同風速段下的功率控制策略,同時設計了模糊PID變槳距控制器,并在隨機風速下對其進行了仿真。仿真結果表明,本文設計的模糊PID變槳距控制器較好地實現了在風速高于額定風速階段,通過起動變槳距控制器及時、準確地控制槳葉的位置,實現了在高于額定風速階段輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近,從而證明了系統(tǒng)設計的正確性。

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