許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 李躍磊

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的限速控制研究

許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 李躍磊

本文從變槳距風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)理論入手，運(yùn)用對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)分析求得貝茲理論的極限值，通過風(fēng)能的利用系數(shù)及葉尖速比之間的關(guān)系，從而得出風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)變槳距控制方法，最后對(duì)變槳距的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真及變槳調(diào)節(jié)加以分析，驗(yàn)證了此模型的可靠性。

空氣動(dòng)力學(xué)；PID控制；雙饋發(fā)電機(jī)；變槳調(diào)節(jié)

1.引言

隨著國家對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重視以及發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，高新技術(shù)不斷運(yùn)用到風(fēng)力發(fā)電之中，使得風(fēng)力發(fā)電的性能得到了很大的提升。風(fēng)力發(fā)電機(jī)有效利用了可再生能源，而中國是世界上風(fēng)能資源現(xiàn)存比較豐富的國家之一，更需要開發(fā)風(fēng)電技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電也能很大程度上減緩我國電力欠缺以及能源的急需，中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制比較靈活，對(duì)中小型風(fēng)力電機(jī)組特性加以研究，同時(shí)控制技術(shù)應(yīng)用運(yùn)用風(fēng)力發(fā)電當(dāng)中可以提高中小型風(fēng)機(jī)的利用率和可靠性，因此對(duì)其研究具有重大的意義。

2.風(fēng)力機(jī)變槳距控制

多變量的變槳距電機(jī)組，具有復(fù)雜的非線性特性。要想更好的利用PID控制，就需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。通過PID參數(shù)的整定，使線性系統(tǒng)控制的精確性得到提升，而風(fēng)電系統(tǒng)是利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)機(jī)械能的裝置，在風(fēng)能系統(tǒng)中它的控制是比較復(fù)雜的。在風(fēng)電機(jī)組中，如果齒面的硬度較高，則在正常使用時(shí)不會(huì)帶來太大的損失，在這種的情況下，系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)模型可表述為：

式中：P為風(fēng)輪吸收功率；ω為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度； c為風(fēng)能的利用系數(shù)；ρ為空氣的密度；r為風(fēng)輪的半徑；v為上風(fēng)向的風(fēng)速。

系統(tǒng)變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)：

其中：Tβ—變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)間常數(shù)值；β—槳距角的實(shí)際值；βr—槳距角參訂值。

2.1變速變槳距控制系統(tǒng)策略

對(duì)于各式各樣的電機(jī)組來說，在變速變槳距模型上增加變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)后，對(duì)它的控制就很難來估計(jì)，這樣要想對(duì)變槳控制的精確度的提升，就必須添加另外兩個(gè)控制機(jī)構(gòu)控制器和對(duì)輸出功率控制的控制器。

（1）主控制器在控制系統(tǒng)中占有主要部分，它不但對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，而且也控制功率控制器，然后對(duì)變槳距控制器進(jìn)行調(diào)整，從而使風(fēng)機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定功率時(shí)，改變變速恒頻控制對(duì)齒輪箱進(jìn)行控制，間接的控制槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)，使風(fēng)輪在良好的尖速比下運(yùn)行；功率控制器控制變流器，這樣就可以使功率穩(wěn)定的輸出。

（3）若風(fēng)速高于額定的輸出值時(shí)，通過改變槳距調(diào)節(jié)器的值控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)CP值，達(dá)到使空氣流動(dòng)時(shí)的動(dòng)能能更多的被風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)化；當(dāng)風(fēng)速增加甚至大于到額定風(fēng)速的值以后，此時(shí)經(jīng)由增加β值，使CP的值下降，從而減少發(fā)電機(jī)的輸出能量。

2.2統(tǒng)一變槳距控制策略

統(tǒng)一變槳距就是改變風(fēng)力機(jī)整個(gè)的風(fēng)力機(jī)葉片的節(jié)距角β，也同時(shí)使其改變統(tǒng)一的角度。一般情況下依據(jù)輸出功率和風(fēng)速作為控制量給槳距角指令，傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電變槳距控制框圖如1圖所示。其中，速度控制器的作用是風(fēng)力機(jī)組的起動(dòng)階段和風(fēng)速不高于額定風(fēng)速的欠功率階段時(shí)來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，由控制欠功率階段的轉(zhuǎn)速來保持葉尖速比使其運(yùn)行在最好狀態(tài)。而變槳距控制主要的是發(fā)生在風(fēng)速大于額定后，這時(shí)風(fēng)電機(jī)組將進(jìn)入額定運(yùn)行狀態(tài)。將給定值和功率反饋信號(hào)加以比對(duì)，若是功率大于額定功率時(shí)，槳葉節(jié)距角就會(huì)提高，反之則下降。

圖1 變槳距風(fēng)力電機(jī)的控制圖

3.變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)

3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳控制

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳距控制系統(tǒng)中，其對(duì)槳葉節(jié)距角的控制具有非常關(guān)鍵的作用的是它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，如今主要利用的是電動(dòng)和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在這兩個(gè)執(zhí)行方式中，液壓驅(qū)動(dòng)的變槳系統(tǒng)具有漏油和卡澀等一些問題，如果用電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)變槳系統(tǒng)，則每個(gè)葉片的單獨(dú)控制就很容易實(shí)現(xiàn)了，然對(duì)槳葉的控制也將非常容易實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)變槳距控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 電動(dòng)變槳距系統(tǒng)框圖

圖2可以看出，在變槳控制系統(tǒng)圖中，電路經(jīng)過不間斷電源（UPS）作為補(bǔ)償點(diǎn)能保護(hù)，經(jīng)過UPS到達(dá)逆變器直流變?yōu)榭衫玫钠椒€(wěn)交流電，輸出功率的參考值與風(fēng)速反饋值進(jìn)行比較后傳送到數(shù)字信號(hào)處理器中進(jìn)行信息處理，然后傳送到逆變器中重新逆變整流；永磁同步電機(jī)另一部分經(jīng)過減速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)調(diào)動(dòng)槳距角的大小，再經(jīng)過雙饋發(fā)電機(jī)對(duì)槳距角和風(fēng)速的一個(gè)測(cè)量和比較，得出反饋電流值；最后輸出的功率反饋到變槳控制器中進(jìn)一步對(duì)槳距角從新的調(diào)整，接著進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，把合適的數(shù)據(jù)值傳輸?shù)侥孀兤髦姓{(diào)節(jié)電壓的大小，這樣迅速的對(duì)變槳控制做出精確的調(diào)整。

3.2變槳距電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的控制

電動(dòng)變槳距控制就是伺服電機(jī)的位置控制，根據(jù)永磁同步電機(jī)在一定坐標(biāo)系下各個(gè)量的關(guān)系方式列出其模型，接著對(duì)其進(jìn)行控制?？刂圃砣鐖D3所示。

其中，位置參考值是由控制器所決定的，位置參考值與光電編碼器所測(cè)的位置反饋值對(duì)比，所得的差值傳送給位置調(diào)節(jié)器進(jìn)行PI控制調(diào)節(jié)。把位置檢測(cè)到的參考值與轉(zhuǎn)子反饋電流值的變化量送給電流調(diào)節(jié)器，同時(shí)比例積分進(jìn)行調(diào)節(jié)，其結(jié)果就是轉(zhuǎn)矩電流給定值，對(duì)轉(zhuǎn)矩要想實(shí)現(xiàn)更好的控制作用，還必須經(jīng)由空間矢量控制使得出磁通的空間位置與電流矢量的方向成90°；再調(diào)節(jié)器和電流的調(diào)節(jié)下的結(jié)合下動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加迅速。

圖3 永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)控制框圖

圖4 在風(fēng)速5m/s下輸出的轉(zhuǎn)速

圖5 在風(fēng)速5m/s下輸出的功率

4.結(jié)論

本文仿真是對(duì)一臺(tái)變槳風(fēng)力機(jī)在較穩(wěn)速的情況下進(jìn)行的仿真，仿真用的軟件是Matlab10.0/Simulink。如圖4，5，6，7所示額定風(fēng)速分別是5m/s和18m/s的仿真結(jié)果圖，PID的控制器參數(shù)是kp=0.006，kI=0.002，kD=0.002。

圖6 在風(fēng)速18m/s輸出的轉(zhuǎn)速

圖7 在風(fēng)速18m/s輸出的功率

本文，在提前分析了風(fēng)力機(jī)，風(fēng)能的特性和異步私服電機(jī)的理論基礎(chǔ)下，研究了最大風(fēng)能的追蹤以及額定功率穩(wěn)定運(yùn)行的控制方略，并且了利用了PID控制的方略進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型的可靠性，但在精確上還是有所不足。

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李躍磊（1984-），男，河南許昌人，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：自動(dòng)控制。

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目，15A470020。