徐向宇 賈春雁

【摘要】在風力發(fā)電機組中，變槳機組已經(jīng)取代定槳機組成為風機商業(yè)化發(fā)展的主流。變槳系統(tǒng)是風電機組功率控制和平穩(wěn)運行的重要執(zhí)行部分，在其運行中發(fā)揮著主導作用。本文主要討論風力機組功率控制方法，研究了模糊PID 統(tǒng)一變槳距功率控制系統(tǒng)、基于來流角預測的獨立變槳距功率控制策略。

【關鍵詞】變槳機構；獨立變槳；

一、變槳系統(tǒng)控制原理

本系統(tǒng)采用變速變槳距調節(jié)的控制方式，通過頻率轉換器耦合發(fā)電機與電網(wǎng)，允許通過控制發(fā)電機的反作用力矩來改變轉速，在高風速時，轉矩被保持在額定水平，變槳距控制用于調節(jié)轉速及功率，

二、控制器及仿真模型建立

針對本系統(tǒng)，將模糊控制與PID控制算法相結合設計了一種通過模糊規(guī)則切換兩種控制規(guī)律的無觸點的切換方式，優(yōu)化了控制器的設計，彌補了常規(guī)算法的不足，采用這種方法的Fuzzy-PID分段復合控制器和仿真模型

三、風電機組控制系統(tǒng)概述

隨著風電機組單機容量的不斷加大，塔架高度和葉輪直徑也隨之不斷擴大，兆瓦級風力發(fā)電機組在額定風速的情況下，槳葉在旋轉過程中其最高端和最低端垂直高度上的功率吸收相差20% 以上，這使得普通葉輪統(tǒng)一變槳距控制在大型機組上無任何優(yōu)勢可言。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，對機組高效、穩(wěn)定、安全的運行具有非常重要的作用。而獨立槳葉變距系統(tǒng)的每只槳葉都有一套獨立的變距伺服驅動系統(tǒng)，采用獨立槳葉變槳距控制方法可以減少傳動系統(tǒng)的故障率，減輕輸出力矩脈動，提高系統(tǒng)運行可靠性和穩(wěn)定性，提高機組運行壽命。同時獨立槳葉變距控制不僅擁有普通葉輪整體變距控制的優(yōu)點，還能很好地解決垂直高度上風速變化對風機的影響這一不利因素。但是如果采用液壓伺服驅動，其系統(tǒng)結構過于復雜，會給維護和修理造成一定難度。因此，獨立變槳距控制系統(tǒng)現(xiàn)在通常都采用電動機驅動方式。

本文在分析風電機組變槳距控制研究現(xiàn)狀的基礎上，提出優(yōu)化的變槳距控制策略，利用Matlab/Simulink對其進行仿真，設計了基于模糊控制的變槳距控制器，使控制效果得到了提高。下面的實例，是以典型的獨立變槳控制系統(tǒng)來說明變槳控制系統(tǒng)的基本構成。一般的獨立電動變槳控制，主要是由3套獨立的變槳裝置組成，不但提高了風力機的輸出功率，還可以允許3個槳葉獨立變槳，即使在其中一個槳葉剎車制動失敗時，其他2個槳葉也可以實現(xiàn)安全剎車的過程，提高了整個系統(tǒng)的安全性，能全面滿足其剎車制動需要。

電控變槳系統(tǒng)構成

變槳距控制（Active Pitch Control）技術，簡單來說就是通過調節(jié)槳葉的節(jié)距角，改變氣流對槳葉的攻角，從而控制風輪捕獲的氣動功率和氣動轉矩。近年來國內(nèi)外在變槳距控制上，主要采用液壓變槳控制和電控變槳控制，以及目前正處在研制階段的電液比列變槳控制。其中電變槳距主要采用了兩種控制方法，即統(tǒng)一變槳距控制（Collective Pitch Control）和獨立變槳距控制（Individual Pitch Control）。統(tǒng)一變槳距控制指風力機全部葉片的節(jié)距角都同時改變相同的角度，是目前使用最廣泛、應用最為成熟的控制技術；獨立變槳距控制是指風力機的每支葉片根據(jù)自己的控制規(guī)律獨立地變化節(jié)距角，是在統(tǒng)一變槳距的基礎上發(fā)展起來的新型變槳距控制理論和方法，具有較高的前導性。

四、統(tǒng)一變槳距的功率控制與仿真

PID控制器根據(jù)PID控制原理，對整個控制系統(tǒng)進行偏差調節(jié)，以其算法簡單、應用性好、可靠性高等優(yōu)點，廣泛用于工業(yè)自動控制領域。根據(jù)有關實驗證明，基于模糊邏輯的參數(shù)自整定PID控制器，在解決線性控制問題的同時，也能很好地應用于非線性系統(tǒng)。在功率控制過程中，模糊控制器根據(jù)功率偏差信號e及其變化率e調節(jié)比例系數(shù)Kp、微分系數(shù)Kd和的積分系數(shù)Ki數(shù)值，因此模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心算法。從實際控制經(jīng)驗和PID算法中各環(huán)節(jié)的不同作用，設計者可以總結出參數(shù)整定規(guī)則，這些規(guī)則為制定模糊控制規(guī)則提供了依據(jù)和算法基礎。

五、獨立變槳距功率控制與仿真

風速在風輪平面內(nèi)沿高度的分布具有極高的持續(xù)性和規(guī)律性，因此我們可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡技術對其進行預測。其預測方法為，預先測量塔影效應和風切對風速分布的影響，之后使用大量觀測數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，使用訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡去估算不同高度的風速。考慮到在統(tǒng)一變槳的基礎上，用特定式對每個槳葉指定位置的來流角進行實時預測，并利用其變化量分別修正每個槳葉的節(jié)距角，則得各槳葉的節(jié)距角變化量，最后以特定式實現(xiàn)對來流角的預測。

六、統(tǒng)一變槳與獨立變槳的系統(tǒng)分析

在風力機槳葉氣動力分析中我們得知，槳葉在劇烈變化的軸向氣動力下將產(chǎn)生“揮舞”型震顫。鑒于此，通過節(jié)距角跟隨來流角變化式來完成獨立變槳控制。預測段來流角的變化能被各槳葉的節(jié)距角迅速跟蹤，可以很好地限制攻角周期性變化幅值，減輕了槳葉的氣動疲勞載荷，同時也控制了軸向氣動力變化的幅值，對于延長槳葉的使用壽命起到了重要作用。

獨立變槳和統(tǒng)一變槳在功率控制效果上，獨立變槳比統(tǒng)一變槳更合理。在大型風力機中，槳葉會因氣流發(fā)生“揮舞”型震顫，通過分析和仿真，我們提出基于來流角預測的獨立變槳距控制策略，應用于統(tǒng)一變槳的模糊PID 參數(shù)自整定控制器設計，這就能使統(tǒng)一變槳距控制較好地實現(xiàn)大型風電機組對功率控制的要求。由于風速在風輪平面上分布不均勻，獨立變槳可以使節(jié)距角在風速低的位置時較小，風速高的位置時較大，這樣可以減少槳葉在風輪不同位置的氣動扭矩波動，使輸出功率更平穩(wěn)。仿真結果表明，獨立變槳距控制可有效減輕槳葉的氣動疲勞載荷，減小因風速沿高度分布不均勻產(chǎn)生的氣動軸向力的周期性變化，因此獨立變槳距控制比統(tǒng)一變槳距控制所輸出功率更加穩(wěn)定。本文僅對變槳距控制的方法和控制結果進行分析，尚待在生產(chǎn)實踐中進行驗證。

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