变速变桨距风力发电机组控制策略分析

变速变桨距风力发电机组控制策略分析

0风力机变桨控制策略的设计随着工程技术、能源电子技术和现代控制理论的进步，风能发电系统的wtbs（单定迹位移误差控制）技术也从原来的单定位位移误差控制转向了可变距离和可变控制技术。为了避免风装置系统的负荷过大，对风装置上的能量大，并为电网提供良好的电气质量。然而,风力发电机组作为一种复杂的多变量非线性系统,要想减小风力机载荷延长其使用寿命、抑制功率波动降低对电网的不利影响等,控制策略的选取及控制器的设计对其至关重要。本文通过对变速变桨距风力发电机组基本控制策略的分析,针对过渡区运行过程中出现的功率波动大及突变载荷强等情况,提出一种优化的控制策略来减缓此种影响。为最佳跟踪优化的控制策略,详细设计了三个控制器以实现三个运行区间的平滑过渡。同时应用Matlab仿真平台对变速变桨距风力发电机组运行特性进行了仿真研究,结果表明了所提方案的正确性和有效性。1工作点选取及控制器的设计图1在转速-转矩平面图中描述了基本的变速变桨距风力发电机组控制策略。在低风速下,风力机从起动风速为Vin的A点到风速为的B点,均沿着Cpmax曲线轨迹运行,称此区间为恒Cp运行区。由于在B点发电机转速达到了其上限值ΩN,当风速从上升到VN时,转速将恒定在ΩN值,提升发电机转矩使风力机达到其额定功率值,在图中为BC段,亦称为恒转速区或过渡区。当风速超过额定风速VN时,变桨距系统将开始工作,通过改变桨距角保持功率的恒定,风力机将持续运行在C点,直到风速超过切出风速Vout,此区间为恒功率区,而此区间内桨距角控制方式采用统一桨距控制(CollectivePitchControl),它是指风力机所有桨距角均同时改变相同的角度。在此需要注意的是:当最大功率NP曲线与Cpmax曲线的相交点在额定转速极限值左侧时,就会造成风力机在未达到额定转速时,已进入失速状态,相应的AB区间将被缩小范围,这就需要对整个风力发电机组额定点进行重新的选取。从图1可以看出,三个区间工作点的划分非常明显,而控制器的设计与工作点的选取有着必然的联系,因此,基本的变速变桨距风电机组通常会设计两个独立的控制器,一个用来跟踪参考速度,另一个用来跟踪额定功率。由于两控制器都有各自的控制目标,在运行过程中相互独立,然而在工作点附近,两控制器又相互制约,这种制约就会导致风力机在C点控制系统的调节能力下降,在突遇阵风等情况时,会产生较大的功率波动及较强的瞬间载荷。导致这种情况发生的根源在于风速低于额定值时,风力机通常以最佳桨距角运行,为了克服风速突然增大时的气动转矩、抵消过量的功率,需大幅度改变桨距角,然而,这种变动因为变桨装置自身的特性而被限制。因此,为了更好地控制气动转矩、提高风力机的整体控制力,需要对控制策略进行优化。2过渡区运行时稳态功率曲线的变化优化的变速变桨距控制策略如图2所示。在图2中,优化策略与基本策略不同之处在于:过渡区出现的调整是以风速V1开始,V2结束的,而转速和桨距角的改变方式也发生了变化。这些改变可以在图3中表现出来。在低风速区,控制策略基本不变,保持恒定功率系数Cp运行,但当风速达到V1时,进入过渡区运行。在过渡区间,转速将以更小的斜率随风速的增加而增加,同时为了提高工作点的控制力,桨距角也随着风速的增加而增加。当风速达到V2时,过渡区结束。很明显,,过渡区被扩大,相应的稳态功率曲线的斜率dPdV减小,针对速度区间ΔV,功率的变化量ΔP=dPdV⋅ΔV也就减小,那么功率波动就会相应减小,瞬间载荷也相应被减缓。在风速高于V2时,依然采用变桨距控制方式,但此时控制方式采用更为先进的独立变桨距控制(IndividualPitchControl),它是在统一变桨距控制的基础上发展起来的新型变桨距控制理论,它将每支叶片作为独立的控制对象,依据各自的控制规律独立地改变桨距角,以达到更好的减缓载荷的目的。3控制设计要实现对优化的变速变桨距控制策略最优化的跟踪,控制器的设计十分重要。针对优化策略的特点,本文设计了三个控制器。3.1为“角”的函数根据风力机空气动力学原理,风力机产生的功率为:式(1)中:ρ为空气密度;R为风轮半径;V表示驱动风力机的有效风速;叶尖速比λ=ωR/V,ω为风轮转速;Cp为叶尖速比λ和桨叶节距角β的函数,本文采用函数式(2)进行拟合。结合式(1)和式(2)可以看出当桨距角β固定在某一值时,存在一个最佳叶尖速比λ,使得风能利用系数Cp值最大,亦即风力机能获取的功率为最大。为最大化地获取风能,设计出如图4所示的低风速控制器。表示风速的估算值,ΩZ表示发电机实际所需转速输出值,Ωg表示发电机运行转速,R表示风轮半径,转速参考值Ωref定义为:式(3)中,n为齿轮箱增速比。图4中的控制算法采用比例-积分(PI)控制算法,则有:式(4)中:Kp为比例增益;Ki为积分增益;e为发电机转速误差值,定义为e=Ωref-Ωg。3.2发电机转速控制算法过渡区间控制器的设计主要为了消除瞬间载荷对风力机的冲击。采用具有转速反馈外环的转矩控制环,配合非线性变桨距映射表,运用特定的控制算法和统一变桨距控制方式来实现此区间的控制,结构图如图5所示。桨距角的动作属于跟踪控制策略的一种主动变化,将其变化范围分段与发电机转速一一映射,就构成了在此区间变桨距控制的非线性映射表。由于运用风速的估算值来确定发电机转矩时,气动损失、传动链损失等很难得到准确的估算,致使得到的参考转矩不是很精确,所以改用发电机转速作为计算参考转矩的输入,这样可直接对发电机转矩进行计算。需注意的是此区间发电机转速与风速的线性斜率已发生变化。Tg表示发电机运行转矩,βZ表示实际所需桨距角输出值,转速参考值Tref定义为:图5中的控制算法采用基于单个神经元的自适应模糊控制算法,其结构框图如图6所示。图6中Tr(t)、e(t)、ec(t)和se(t)分别表示转矩测量值、误差、误差变化率和误差积分。神经元模糊控制器是在简单模糊控制器的基础上,利用单个神经元的输出Un(t)来在线调整模糊控制规则查询表,以达到调整控制规则的目的,从而提高系统的自学习和自适应能力,完善系统性能。对于每一组输入变量e(t)和ec(t)进行模糊量化处理,得到相应的语言变量论域上的模糊集E(t)和Ec(t),再根据它们的值查询模糊控制查询表,得到控制量Uf(t)的值,此值经过神经元调整为:其中:Un(t)(-1≤Un(t)≤1)是神经元的输出;Uf(t)是查询模糊控制查询表得到的精确控制量。然后将所得到的Uz(t)存入模糊控制查询表原来Uf(t)所在的位置,取代原来Uz(t)的值,这样就完成对模糊控制查询表的在线调整,亦即间接地调整了模糊控制规则。如果再将Uz(t)乘以比例因子Ku,便可以得到施加给被控制对象的控制量为:图6中单神经元的学习算法是通过改变权系数的值来实现的,如何调整得到权系数对系统性能有着非常重要的影响,在此令权系数按照误差能量函数的负梯度方向进行修改。在Matlab仿真中,通过编写M文件S-函数来实现。3.3变桨距控制器设计当风速达到V2时,风力发电机组的机械和电气特性也达到其设计极限,随着风速的进一步增大,此时要求发电机的转速和输出功率维持在额定值,根据风力发电机组的气动特性,增大桨距角可以减小风能利用率,因此当发电机输出功率大于额定功率时,通过调节桨距角减小发电机的输出功率使之维持在额定值。另外在满足功率额定的同时,为更好地减缓风力机所受载荷,采用先进的独立变桨距控制技术,高风速区控制器的设计如图7所示。ψ表示风轮方位角,βi、βzi(i=1,2,3)分别表示实测和变桨距所需桨距角,Pref表示风力机额定功率值,Pg表示通过发电机转速估算的功率值,定义为:式中,Vzi为单个叶片上的有效风速。图7中的控制算法采用PI控制算法,定义为:式(9)中:Kpi为比例增益;Kti为积分增益;针对不同叶片的控制规则(i=1,2,3)Kpi、Kti的值亦不同;e为发电机功率误差值,定义为e=Pref-Pg。4风力发电机动态仿真结果本文研究对象为某型三叶片上风向布置变速变桨距风力发电机组,其主要相关技术参数如表1。风速取GL规范中复现周期为1年的极端运行阵风(EOC),在Matlab仿真模型中设置为第5s时刻从9.36m/s经过10.5s渐变到16.09m/s,如图8(a)所示。则风力发电机组动态仿真过程如图8(b)~(e)所示。由图8可知:(1)优化后的控制策略使风力发电机组不仅能很好地维持能量获取的能力,而且相应地减小了功率波动范围。从功率波动最大幅值来看,由原来的1.7398MW降低到1.6249MW,降低了7.66%。(2)挥舞弯矩主要受气动载荷的影响,过渡区的扩大以及在过渡区实施的统一变桨策略,都使得叶片上的气动载荷得以减缓。(3)在摆振弯矩图上可以清楚地看到重力载荷起主导作用,表现为正弦变化。因此要想减缓叶片的摆振,应适当减轻叶片自身的重量,而优化的控制策略对其影响很小。(4)推力在平行于风流动方向上的一个分量Fx主要向上风向方向用力以减少风速,来吸收风能。但推力Fx过大,会在主轴上产生俯仰力矩使机舱绕塔架反转。根据风力机的空气动力学特性,增大桨距角可减小推力Fx,因此优化的控制策略在过渡区,将桨距角适当的增加了。5