引言

風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。隨著能源消耗日益增長，環(huán)境進一步惡化，世界各國都把發(fā)展可再生的“綠色”能源作為本國能源戰(zhàn)略的重點。風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要方式，近年來我國在風(fēng)電技術(shù)和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)方面都取得了長足進步，但是在兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計技術(shù)和制造技術(shù)方面都還處于起步階段，自主創(chuàng)新能力還很薄弱實踐經(jīng)驗積累不足，控制技術(shù)與國外先進技術(shù)有較大差別。

變槳距控制系統(tǒng)作為兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的核心部分之一，對機組安全、穩(wěn)定、高效的運行具有十分重要的作用。穩(wěn)定的變槳距控制已成為當(dāng)前兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組控制技術(shù)研究的熱點和難點之一。因此，有必要對兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組的變槳距控制系統(tǒng)進行詳細(xì)對比分析和研究。本文結(jié)合國外兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展現(xiàn)狀，對風(fēng)力發(fā)電機組變槳距系統(tǒng)控制的結(jié)構(gòu)和控制原理進行分析。并利用PID控制方法對模型進行簡要的仿真，以驗證模型的正確性。

1 、風(fēng)力機空氣動力學(xué)特性分析

在外界風(fēng)力的作用下，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機械能，帶動發(fā)電機輸出電能。但實際上風(fēng)力機不能將風(fēng)輪掃及面上的全部風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機械能，存在風(fēng)能利用系數(shù)Cp：

式中：Pin一風(fēng)輪掃及面內(nèi)的全部風(fēng)能；Pout一風(fēng)輪吸收的機械能；ρ一空氣密度；A一風(fēng)輪掃及面積；v—風(fēng)輪上游風(fēng)速。

變槳距風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)Cp與尖速比λ和槳葉的節(jié)距角β成非線性關(guān)系。尖速比即為槳葉尖部的線速度與風(fēng)速之比：

式中：n——風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速；ω一風(fēng)輪轉(zhuǎn)動角速度；R一風(fēng)輪半徑。

據(jù)有關(guān)資料的記載和研究，風(fēng)力機部分的風(fēng)能利用系數(shù)Cp可近似用以下公式表示：

在上式的基礎(chǔ)上可以，通過Mat1ab進行計算可以得到大致的風(fēng)輪變槳距的葉尖速比與風(fēng)能利用率之比：

從圖1中可以得到以下結(jié)論：

1）在某一個特定的槳距角β下，不管葉尖速比如何變化，僅存在唯一的風(fēng)能利用系數(shù)最大值Cpmax，且僅有0．5左右；

2）對于任意的尖速比λ，槳葉節(jié)距角β=O°下的風(fēng)能利用系數(shù)相對最大，隨著槳葉角不斷增大，風(fēng)能利用系數(shù)迅速減小。

2 、風(fēng)力發(fā)電機組的模型

本論文以兆瓦級的變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機組為研究對象。假設(shè)所采用的風(fēng)力發(fā)電機組由一水平軸可變距風(fēng)輪，通過增速器與發(fā)電機連接而成，系統(tǒng)方框圖如下圖：

為設(shè)計好控制器，建立風(fēng)力發(fā)電機的動態(tài)模型是必要的前提條件。風(fēng)力發(fā)電機組從控制系統(tǒng)角度來看可以分為三個子系統(tǒng)：風(fēng)輪氣動特性、傳動特性和發(fā)電機模型。

2．1 風(fēng)輪氣動特性

在系統(tǒng)中，我們假定可變距的槳葉是剛性的。

由式（1），風(fēng)輪吸收的功率（機械能）為：

風(fēng)輪的動態(tài)模型由以下運動方程表示：

式中：Jr一風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2；ωr一風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的角速度，rad／s；Tr一風(fēng)輪的氣動轉(zhuǎn)矩，N·m；n一齒輪箱增速器的傳動比；Tm一從轉(zhuǎn)動軸傳遞給剛性齒輪的扭矩，N·m。

風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩與功率之間的關(guān)系為：

2．2 傳動系統(tǒng)動態(tài)特性

風(fēng)輪將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換成風(fēng)輪軸上的機械能，然后這個能量要變成所需要的電能，而電能由高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機來產(chǎn)生。由于葉尖速度的限制，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度較慢，而發(fā)電機不能太重，而極對數(shù)較少，發(fā)電機轉(zhuǎn)速要盡可能的高，因此就要在風(fēng)輪與發(fā)電機之間連接齒輪箱增速器，把轉(zhuǎn)速提高，達到發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)風(fēng)輪氣動特性，風(fēng)輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Tr作用于帶有轉(zhuǎn)動慣量Jr的風(fēng)輪上。風(fēng)輪通過增速比為n的增速器連接到轉(zhuǎn)動慣量Jg的發(fā)電機，發(fā)電機將產(chǎn)生一反扭矩Te。由于風(fēng)輪、輸入軸和增速器之間的剛性連續(xù)，因此忽略傳動系統(tǒng)中的總摩擦力和輸出軸上的相對角位移。

2．3 發(fā)電機

本論文中所涉及到的發(fā)電機為繞線式三相異步發(fā)電機，因此是通過改變定子電壓而改變發(fā)電機反力矩和轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)變速的。

式中：p一發(fā)電機極對數(shù)；m1一電機定子相數(shù)；U1一電網(wǎng)電壓，V；Cl一修正系數(shù)；ωg一發(fā)電機轉(zhuǎn)動的角速度，rad／s；ω1一發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速，rad／s；r1，x1一分別為定子繞組的電阻和漏抗，Ω；r2，x2一分別為歸算后轉(zhuǎn)子繞組的電抗和漏抗，Ω。

發(fā)電機轉(zhuǎn)動方程：

式中：Jg——發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；Te一發(fā)電機反力矩，N·m。

風(fēng)輪軸角速度與發(fā)電機轉(zhuǎn)速之間關(guān)系由下式表示：

3 、兆瓦級變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機組的變槳距控制策略

根據(jù)變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機在不同區(qū)域的運行情況，將基本控制策略確定為：低于額定風(fēng)速時，跟蹤Cpmax曲線，以獲得最大能量；高于額定風(fēng)速時，跟蹤Pmax曲線，并保持輸出穩(wěn)定。

假設(shè)啟動前發(fā)電機組的槳葉節(jié)距角處于某一恒定角度。當(dāng)風(fēng)速達到啟動風(fēng)速后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速由零增大到發(fā)電機可以切入的轉(zhuǎn)速，Cp值不斷上升，風(fēng)力發(fā)電機組開始發(fā)電運行。通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)速進行控制，風(fēng)力發(fā)電機組逐漸進入Cp恒定區(qū)（Cp=Cpmax），這時機組在最佳狀態(tài)下運行。隨風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速也增大，最后達到一個允許的最大值，這時，只要功率低于允許的最大功率，轉(zhuǎn)速便保持恒定。達到功率極限后，發(fā)電機組進入功率恒定區(qū)，這時隨風(fēng)速的增大，必須使Cp值減小，使葉尖速比減少的速度比在轉(zhuǎn)速恒定區(qū)更快，從而使風(fēng)力發(fā)電機組在較小的Cp值下作恒定功率運行。

4 、PID控制器及MATLAB仿真結(jié)果

PID控制是工業(yè)控制中基本且最常見的方法。PID控制器形式比較簡單，它由比例、積分和微分（Proportional—Integral一Derivative）構(gòu)成，其傳遞函數(shù)為：

式中：Kp、Ki和Kd分別是比例、積分和微分增益。

PID參數(shù)的整定就是根據(jù)被控對象特征和所希望的控制性能要求決定三個參數(shù)（Kp、Ki、Kd）。

在低于額定風(fēng)速時，控制的目標(biāo)是尋求最大功率系數(shù)以捕獲最大風(fēng)能。從風(fēng)電廠實驗數(shù)據(jù)可知，槳距

角為00，葉尖速比為9時，風(fēng)能利用系數(shù)Cp的值最大（約為0．4623）。因此，在低于額定風(fēng)速時，將槳葉節(jié)

距角置于00，而只要調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使其與風(fēng)速之比保持不變（λ=ωrR/v=9），即可獲得最佳風(fēng)能利用系

數(shù)Cpmax。采用PID控制器改變發(fā)電機定子電壓，以此調(diào)節(jié)發(fā)電機反力矩來改變轉(zhuǎn)速，選取Kp=150，Ki=2．

5，Kd=7．5（槳葉節(jié)距角最初被置為00）。

在高于額定風(fēng)速時，控制的目標(biāo)是保持輸出功率穩(wěn)定在最大允許值。因此在風(fēng)速較高時，通常通過調(diào)

整槳葉節(jié)距角來調(diào)節(jié)功率利用系數(shù)Cp的值，以此保持輸出功率為最大允許值。采用PID控制器調(diào)節(jié)槳葉節(jié)

距角來改變Cp的值，選取Kp=O．00007，Ki=O．00001，Kd=0．000001。由此，采用PID控制器在MATLAB中

搭建的系統(tǒng)模型如圖所示：

當(dāng)風(fēng)速變化時，各種風(fēng)況下輸出功率和發(fā)電機轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果如下圖所示。

當(dāng)風(fēng)速v=6m／s時，即風(fēng)力機達到額定功率前，異步電動機的輸出功率和轉(zhuǎn)速的仿真如下圖4、圖5所示：

當(dāng)風(fēng)速v=19m／s時，即風(fēng)力機達到額定功率后，異步電動機的輸出功率和轉(zhuǎn)速的仿真如下圖6、圖7所示：

5、 結(jié)論

本文以1．3MW級風(fēng)力發(fā)電機組為例，在分析了風(fēng)能、風(fēng)力機特性以及異步電機的基礎(chǔ)上，研究了最大風(fēng)能的追蹤和額定功率保持的控制策略，并以傳統(tǒng)的PID控制方法仿真，結(jié)果表明模型的正確性。

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