基于CodeSys 風(fēng)電機(jī)組變槳距控制策略研究

陸國(guó)君，王贇

(1.德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司，上海 200436；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司武漢凌久電氣有限公司，武漢 430074)

0 引言

變速變槳距控制系統(tǒng)是構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，近年來(lái)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，直接帶動(dòng)了該系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)，該系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣主要由所采用的控制策略是否適合與被控對(duì)象所決定。目前，實(shí)際工程中常采用常規(guī)的PI控制器控制輸出槳距角，該控制器易實(shí)現(xiàn)，但有可能出現(xiàn)大超調(diào)現(xiàn)象，風(fēng)電機(jī)組作為一種復(fù)雜的多變量非線性系統(tǒng)，如僅采用單一的控制很難得到滿意的控制效果[1]。所以采用更適合機(jī)組的控制器對(duì)減小機(jī)組載荷、避免機(jī)械共振、最大限度的捕獲風(fēng)能及為電網(wǎng)提供良好的電能質(zhì)量等方面起到了至關(guān)重要的作用。

1 變槳距控制器設(shè)計(jì)及建模

1.1 PID控制器

本文介紹的控制算法都基于傳統(tǒng)的不完全微分PID控制算法，其特點(diǎn)是不但能抑制高頻干擾，還克服了普通數(shù)字PID控制器的缺點(diǎn)，將數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出的微分作用能在每個(gè)運(yùn)算周期里按偏差均勻的輸出變化趨勢(shì)，起到了真正微分的作用[2]。不完全微分PID控制算法為：

式（1）中，KP為比例增益；Tn為積分時(shí)間常數(shù)；Tv為微分時(shí)間常數(shù)； Td為濾波器系數(shù)?？刂破骺驁D如圖1所示。

比例環(huán)節(jié)P：比例控制是一種簡(jiǎn)單的控制方式，控制器的輸入與輸出誤差信號(hào)成比例關(guān)系。

積分環(huán)節(jié)I：控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成積分關(guān)系。在控制系統(tǒng)中，如果進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則需要引入積分項(xiàng)。積分項(xiàng)主要取決于誤差對(duì)時(shí)間的積分，隨時(shí)間的增大，積分項(xiàng)也增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間增大而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步縮小，直到為零。因此，比例+積分的PI控制器能使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后減少穩(wěn)態(tài)誤差，這也是變槳距控制中常用的控制策略。

微分環(huán)節(jié)D：控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（誤差的變化率）成正比關(guān)系。通常，控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)震蕩或失穩(wěn)。其原因是由于存在較大慣性環(huán)節(jié)或者滯后環(huán)節(jié)。控制器中加入微分項(xiàng)，能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，比例+微分的PD控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性[3]。

1.2 傳統(tǒng)變槳距控制算法

傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組的槳距角控制主要采用的是PI的控制策略，PI控制器具有數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，容易控制，響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中使用非常廣泛，其控制器模型如圖2所示，使用轉(zhuǎn)速信號(hào)作為控制信號(hào)，信號(hào)輸入后，先使用轉(zhuǎn)速偏差陷波濾波器，濾除特定頻率的轉(zhuǎn)速干擾信號(hào)[4]。隨即使用PI控制器進(jìn)行控制，由于槳距角的變化對(duì)于風(fēng)速而言是非線性的，如在額定風(fēng)速附近，較小的風(fēng)速變化需要槳距角給定一個(gè)大變化才能使輸出穩(wěn)定，因此在額定風(fēng)速附近需要增大增益，針對(duì)此問(wèn)題，一般整機(jī)廠家會(huì)設(shè)計(jì)多套PI參數(shù)供機(jī)組在不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)使用來(lái)[5]。

該P(yáng)I控制器的不足是超調(diào)相對(duì)較大，調(diào)節(jié)過(guò)快，容易引起機(jī)組的振蕩，槳距角的控制曲線較陡峭，易引起變槳距控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械疲勞，轉(zhuǎn)速低時(shí)容易引起轉(zhuǎn)速振蕩，導(dǎo)致機(jī)組失去平衡，減少機(jī)組運(yùn)行壽命。

1.3 優(yōu)化后的變槳距控制算法

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的算法由兩個(gè)PD控制器和一個(gè)P控制器構(gòu)成，分別對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、槳距角及加速度進(jìn)行控制。通過(guò)一定條件及運(yùn)行狀態(tài)的選擇，有條件的使用這三個(gè)控制器作為輸出，最終以槳距角形式發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

槳距角控制：一般在并網(wǎng)前，機(jī)組處于起機(jī)或自檢狀態(tài)時(shí)選用此控制器，因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，還未穩(wěn)定運(yùn)行，程序內(nèi)部反饋的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可能存在一定偏差，所以選用當(dāng)前的槳距角作為控制變量能起到比較好的控制精度。再將輸出的角度值經(jīng)過(guò)低通濾波器，用于濾除高頻角度干擾信號(hào)，并通過(guò)一定的數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)換輸出槳距角，該控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制：當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后，在額定風(fēng)速附近，大部分時(shí)間的控制皆使用此控制器。使用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制變量，在信號(hào)輸入端使用低通濾波器，濾除瞬時(shí)的轉(zhuǎn)速變化。PD控制器輸出后再使用PT1低通濾波器使輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)更為平滑。再通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將當(dāng)前的轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)化為槳距角?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加速度控制：控制中實(shí)時(shí)將轉(zhuǎn)速的加速度和轉(zhuǎn)速控制器輸出進(jìn)行比較，當(dāng)加速度大于額定值時(shí)，即轉(zhuǎn)速偏差過(guò)大，則開(kāi)始啟用此加速度控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。加速度控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖1 PID控制器

圖2 PI轉(zhuǎn)速控制器

圖3 槳距角控制器

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器

圖5 加速度控制器

使用此控制器主要在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差過(guò)大或在啟動(dòng)階段中需要快速度過(guò)機(jī)械共振區(qū)時(shí)起到了重要的作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率最大化及避免長(zhǎng)期振動(dòng)給機(jī)組帶來(lái)的機(jī)械疲勞損傷。

2 變槳距控制模型的數(shù)據(jù)仿真與分析

本文研究的被控對(duì)象為1.5MW三葉片雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組。采用基于PC的嵌入式控制器作為硬件，結(jié)合實(shí)際風(fēng)電機(jī)組控制程序?qū)嘟堑妮敵鲞M(jìn)行比較，使用基于CodeSys V2版本的軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真及分析。被控對(duì)象的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

使用風(fēng)速仿真程序?qū)︼L(fēng)速進(jìn)行模擬，在高于額定風(fēng)速的情況下觀察機(jī)組的啟動(dòng)過(guò)程，使用本文介紹的2種不同的控制器對(duì)輸出槳距角進(jìn)行觀察，如圖6所示。

由圖6可以看出，使用優(yōu)化后的控制算法能夠更平滑的處理槳距角的輸出，以避免振蕩給機(jī)組造成不必要的機(jī)械損傷。相比之下，傳統(tǒng)控制算法在0度附近時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)快，易引起機(jī)組的振蕩，且控制曲線跟陡峭，易導(dǎo)致變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)疲勞運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

優(yōu)化過(guò)的PD控制與傳統(tǒng)的PI控制相比。優(yōu)化后的PD控制器能讓機(jī)組更平滑過(guò)渡運(yùn)行，該控制器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好，適應(yīng)性強(qiáng)，控制精度高等特點(diǎn)，有效減小風(fēng)電機(jī)組在起機(jī)時(shí)的震蕩，使響應(yīng)曲線更平滑，且具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性。

表1 風(fēng)電機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)

圖6 槳距角仿真響應(yīng)曲線

[1]王惠斌,徐建軍,代文燦. 基于PID控制器的兆瓦級(jí)變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略的研究[J]. 電氣開(kāi)關(guān), 2009,3 :56.

[2]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3]鄭波. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距系統(tǒng)研究[D].華北電力大學(xué),2011.

[4]張慶利. 兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣控制系統(tǒng)的研發(fā)[D]. 哈爾濱理工大學(xué),2007.

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