大型风力发电机组变桨距控制系统设计与仿真_王佳雯

1、电气自动化，第33卷，第5期，2011年，新能源电力控制技术18大型风力发电机组变桨距控制系统的电气自动化设计与仿真王嘉文龚陈华军勇(南京航空航天大学自动化学院，南京，江苏210016)摘要：随着风力发电机组的大型化，变桨距风力发电机组已成为风力发电机组的主要研发方向。基于变速恒频风力发电系统，研究了变桨距控制系统的设计方法。论述了风力发电机的结构和基本工作原理，分析了风力发电机的控制过程。分别设计了低于额定风速的比例积分控制器和高于额定风速的变桨距控制器。通过仿真变桨距控制系统的机构模型，验证了变桨距控制系统设计的正确性。关键词：变桨距控制PID控制器变桨距机构仿真图分类编号TM614文献符

2、号代码A篇编号1000 3886(2011) 05 0018 03大型风力发电机组变桨距控制系统设计与仿真王家文工永(南京航空航天大学自动化工程学院，江苏南京210016，中国)摘要：大型风力发电机组容量， 基于变速恒频风力发电系统，本文采用变桨距控制系统的设计方法，对风力发电机组的结构和基本工作原理进行了探讨，分析了风力发电机组的控制过程，分别设计了低于额定转速和高于额定转速的变桨距控制器的PI控制器， 并通过模型仿真验证了变桨距控制系统的合理性。关键词：变桨距控制PID控制器变桨距机械仿真接收日期：201012140引言能源和环境是人类生存和长远发展面临的主要问题。 风能作为一种可再生的绿

3、色能源，已经成为各国关注的新能源之一，风力发电技术也发展迅速，变桨距控制技术已经成为风力发电行业的一个重要研究领域。早期，国外许多发达国家致力于风力发电的研究，并为变速变桨风力发电机的设计、控制和运行发展了完整的理论和方法。我国对风力发电的研究起步较晚，风力发电技术的理论和应用研究还不够成熟。因此，开展风力发电机变桨距控制的研究具有重要意义。本文研究了大型风力发电机的变速变桨控制技术。当发电机输出功率小于额定功率时，采用跟踪最佳功率曲线的方法，根据风速调节发电机转速，使其尽可能运行在最佳工作点，最大限度地捕获风能。当大电机的功率达到额定功率时，通过调整桨距角来减小气流的攻角，以使发电机的输出功

4、率保持在额定功率。由于变桨距控制具有输出功率稳定和失速载荷小的优点，采用变桨距控制已成为现代风力发电机的发展趋势。1变桨距风力发电机的建模变桨距风力发电机模型的建立对系统的动态特性和控制系统的设计起着重要的作用。变桨距风力涡轮机的结构图如图1所示。-1-1型风力发电机的特性用非线性函数描述，变速变桨距风力发电机的模型如图2所示。图1变桨距风力涡轮机结构P=1 2 Cp，(AU3=R U (1)，其中P是风力涡轮机的机械功率输出，单位为瓦；空气密度以千克/立方米为单位，取1 225千克/立方米；是叶尖速比；以度为单位的俯仰角；Cp是风轮的风能利用系数，是叶尖速比和桨距角的非线性函数；a是风轮的扫

5、掠面积，单位为m2；u是风速，单位为米/秒；是风轮的旋转角速度，单位为弧度/秒；r是风轮的半径，单位为米；传动系统的动态模型传动系统的模型图如图2所示。3 I1=Tf T(2) T=k1(1) 1 1 (1) (3)因为机械损失发生在传动轴和变速箱上，所以非常小。新能源功率控制技术电气自动化，第33卷，第5期，2011年，电气自动化19 I1=Tf T(4)变速箱的传动特性T=NTP(5) 2=N1(6)可忽略高速轴和发电机转子的动态特性I2 g=Tp Te(7) Tp=k2 (2 g) 2 g 2 (2 g) (8)，其中： I1是风轮的转动惯量，它是叶轮转角，Tf是风轮转动力矩， 1是低速

6、轴的角位移，它是风轮转子的阻尼，1是低速轴的外部阻尼。 1是低速轴的内部阻尼，k1是低速轴的刚度，t是低速轴上的扭矩，I2是发电机的转动惯量，Tp是高速轴上的扭矩，2是高速轴的角位移，k2是刚度，2是外部阻尼，2是高速轴的内部阻尼，g是发电机转子的角位移，te是发电机的扭矩，风轮的角速度， 1是低速轴的角速度，2是高速轴的角速度图2传动系统模型图1 3变速发电机模型由发电机和变频器组成的变速驱动装置整体建模。 变速驱动装置可以接收扭矩请求并在短时间内做出响应。它的一阶模型是Ggen(s)=T(s) Tref(s)=1 es 1 (9)，其中T是实际扭矩，Tref是给定扭矩，e是时间常数。1 4

7、可变螺距致动器模型从可变螺距控制器的螺距角指令到指令激励的动态过程可以等效于一阶惯性环节，它是公式gpatch (s)=(s) ref (s)=1es1 (10)中螺距角的实际值；Ref是俯仰角的给定值；本文设计的1 5 MW风力发电机在正常运行条件下的风速范围为3.25米/秒，超过此范围，风力发电机将保持停机状态。当风速低于3 m/s时，有效风能太小，不足以补偿运行成本和能耗。超过截止风速(25米/秒)，风力涡轮机将停止以防止过载。对于风力发电机组，综合考虑物理和经济条件，风力发电机组的发电能力决定了可以吸收的风能，通常以输出功率和风速平面上的曲线形式表示，称为稳态运行曲线，如图3所示。风扇

8、正常运行时，稳态功率曲线可分为两段。当风速低于额定风速时，随着风速的增加，风力发电机吸收的风能逐渐增加，而发电机的输出功率仍低于额定功率值。因此，应尽可能提高风能的利用率，以获得最大的能量转换。当风速高于额定风速时，由于机械应力限制和机组寿命等因素，应通过改变桨距角来限制风力发电机的风能利用率，使其工作在额定功率附近。图3桨距角控制器结构图图4稳态运行功率曲线3变速变桨距风力发电机控制策略分析当风速小于额定风速时，风力发电机处于备用状态，桨距角保持在90。当风速达到切入风速时，俯仰角转向0。根据空气动力学，在一定的角度，气流对叶片产生一定的攻角，叶片开始转动并进入动力基因在风力发电机启动过程中

9、，桨距角的变化受发电机转速信号的控制。速度控制器可根据速度变化设定俯仰角开环给定信号，俯仰执行机构根据给定信号调整俯仰角以匹配速度变化。风力发电机并网后，机组运行分为两种工况：低于额定风速和高于额定风速。3 1当风速低于额定风速时，风力发电机吸收的风能随着风速的增加而逐渐增加，而发电机的输出功率仍低于额定功率值，因此应尽可能提高风能利用率，以获得最大的能量转换。图5风能利用系数叶尖速比曲线风能利用系数叶尖速比曲线如图5 :所示。从图5可以看出，当桨距角=0时，风能利用系数Cp最大。此时，控制器不控制桨距角，该桨距角恒定为0，这相当于固定桨距风力涡轮机。当新能源功率控制技术20电气自动化的叶尖速

10、比为opt时，风能利用系数Cp达到最大值，在该最大值条件下运行时，风能的转换效率最高，因此变速恒频风力发电机可以随着风速的变化不断调节发电机的转速，使其在不同风速下运行在最佳工作点，从而达到最佳叶尖速比，保持最佳发电状态。因此，当风速低于额定风速时，控制要求是跟踪最佳功率效率曲线，以获得最大风能利用系数。根据公式(1)，Popt=12 ar()opt 3c max=12 ar()opt 3c max 3(11)Kopt=1 2 A R()opt 3 Cmax(12)，则Popt=Kopt3(13)。此时，风力涡轮机的空气动力扭矩是Ta=Popt/=Kopt2(14)，Kopt是最佳输出功率系数

11、。图6风力涡轮机功率和最佳功率曲线图6示出了不同风速下的发电机功率变化和最佳功率曲线的对应点，其中Popt曲线由公式(13)给出。其中，点A和点B是运行中的最佳运行点，而点A和点B是对应于风速的运行点，但它们不是最佳运行点，因为它们不是在最佳急变速比下运行。从图中可以看出，最优功率曲线上的工作点由最优工作点组成，分别对应不同风速下的最大发电量。因此，当系统运行曲线遵循最佳功率曲线Popt时，就是最佳工作状态，即风能转换效率最大化。3 2当风速高于额定风速时，此时发电机功率已达到额定功率。由于风力发电机组机械系统和电气系统运行极限的限制，风能转换效率应加以限制，使发电机的输出功率稳定在额定功率附

12、近。从图5可以看出，风能的利用率Cp随着桨距角的增加而降低，也就是说，呈一定的反比关系。当桨距角增加时，风能利用率降低，发电机的输出功率将降低。因此，当风速高于额定风速时，功率控制的基本策略是：即以额定功率作为参考设定值，并将作为反馈信号的发电机输出功率与参考设定值进行比较。当输出功率高于额定功率时，控制器发出变桨距指令，使桨距角沿顺桨方向(90度方向)旋转，反之，增加桨距角。控制器设计俯仰角和扭矩给定值的控制回路，如图7所示。如果发电机速度低于额定速度值，转矩给定回路有效，否则俯仰角给定回路有效。闭环控制算法采用比例积分控制器，根据输入速度的偏差计算输出转矩和俯仰角的参考值。比例积分控制器的

13、传递函数是广义预测积分(s)=y(s) x(s)=KP KI 1 s (15)，其中KP是比例增益，KI是积分增益，KP/KI是积分时间常数。图7变速变桨风力发电机组控制框图在额定风速下，通过控制发电机的反扭矩来控制发电机的转速，使得转速能够随着风速的变化而快速调整，从而达到最佳的叶尖速比，最大限度地利用风能转换效率。低于额定速度的比例积分控制器的建模如图8所示。图8当低于额定风速的控制器结构高于额定风速时，通过改变桨距角来限制风力涡轮机的风能利用率，以使其工作在额定功率附近。额定风速以上的比例积分控制器的建模如图9所示，图9，额定风速以上的控制器结构，4，变桨距风力发电机的仿真，4，1，系统建模与仿真。如上所述，可以建立变桨距风力发电机的数学模型，风速采用紊流风模型。本文设计了一台1 5 MW直驱变速变桨距风力发电机。风轮的额定输出功率为1748千瓦，风轮的扫掠面积为5750平方米，最佳急速比为9.5。此时，对应的最大风能利用系数为0.482，因此计算出的额定风速约为10 3m/s.发电机最大转速为18.5转/分，并网功率为1500千瓦。4 2PI控制器的参数整定是常用的，包括临界比例带法、齐格勒-尼科尔斯整