基于Simulink的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)

王思銥，趙蒙莉，陳昆明

(上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司，上海 200241)

0 引言

隨著氣候問(wèn)題日益受到關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)作為可操作性最強(qiáng)的可再生能源技術(shù)，引起了越來(lái)越多的重視。然而和很多其他產(chǎn)業(yè)類似，井噴式發(fā)展更加關(guān)注生產(chǎn)制造而相對(duì)忽略了技術(shù)發(fā)展，這也導(dǎo)致了目前絕大多數(shù)的核心技術(shù)還是掌握在國(guó)外廠家的手中，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)就是其中之一。

控制系統(tǒng)作為整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的大腦，優(yōu)秀的控制策略和控制參數(shù)能夠在很大程度上降低機(jī)組的載荷，提高機(jī)組的效率和壽命。因此國(guó)外風(fēng)電廠家對(duì)于控制技術(shù)都是采取封閉的措施。國(guó)內(nèi)廠家也慢慢地開(kāi)始開(kāi)展控制系統(tǒng)方面的研究工作，但是和國(guó)外廠家的差距依然非常明顯。因此早日掌握風(fēng)機(jī)控制技術(shù)也顯得越來(lái)越迫切。而對(duì)于這點(diǎn)，一套能夠確切反映控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況的仿真平臺(tái)就顯得尤為重要了。通過(guò)這個(gè)平臺(tái)，技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)和優(yōu)化風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)，并通過(guò)該平臺(tái)了解這些設(shè)計(jì)和改動(dòng)對(duì)于實(shí)際機(jī)組所產(chǎn)生的影響，對(duì)于掌握控制的核心技術(shù)有著非常重要的意義。

1 仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

根據(jù)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的主要工作原理[1]，仿真平臺(tái)可以分成4個(gè)模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)速模塊用來(lái)模擬實(shí)際的風(fēng)速和風(fēng)向信號(hào)，葉片氣動(dòng)模塊根據(jù)風(fēng)速模塊的輸出，模擬葉片從風(fēng)中獲取能量的過(guò)程。驅(qū)動(dòng)鏈模塊主要包含了齒輪箱、發(fā)電機(jī)等主要驅(qū)動(dòng)鏈部件?？刂葡到y(tǒng)模塊從其他模塊獲取機(jī)組仿真的數(shù)據(jù)，并通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)組的運(yùn)行[2]。下面就根據(jù)不同的模塊對(duì)整個(gè)仿真平臺(tái)進(jìn)行介紹。

圖1 仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.1 風(fēng)速模塊

風(fēng)速是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最主要的輸入條件。正確的風(fēng)速模型不僅能更真實(shí)的反應(yīng)實(shí)際風(fēng)速變化情況，而且能夠給整機(jī)的設(shè)計(jì)研究提供正確的依據(jù)。而在風(fēng)速中，最重要的一個(gè)模型就是湍流。

湍流的常用模型有很多種，目前主流的載荷計(jì)算平臺(tái)中，使用最多的還是Kaimal模型。參考 GL和IEC的注釋[3]，Kaimal模型下，湍流的譜密度函數(shù)可通過(guò)公式(1)表示:

其中，f為頻率，Sk(f)為湍流的普密度函數(shù)，Vhub為輪轂中心高度處的風(fēng)速，σk為位于輪轂中心高度處的風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差;Lk為湍流尺度參數(shù)。

圖2所示的圖形為根據(jù)Kaimal模型所仿真出的風(fēng)速波形，其中設(shè)置平均風(fēng)速 Vhub=15m/s，Iref=0.14。

圖2 通過(guò)Kaimal模型所仿真出來(lái)的風(fēng)速

1.2 葉片氣動(dòng)模型

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件，從風(fēng)中獲取能量并傳遞給驅(qū)動(dòng)鏈。設(shè)定機(jī)組葉片的掃風(fēng)面積為A，風(fēng)速為V，空氣密度為ρ，則葉片可以獲取的機(jī)械能量如公式(2)所示:

公式(2)中，Cp稱之為風(fēng)能利用系數(shù)，它用以描述葉片能夠從風(fēng)輪中獲取到能量的多少。根據(jù)貝茲理論，理論上Cp可以達(dá)到16/27，不過(guò)對(duì)于目前的技術(shù)而言，在實(shí)際中通常只能達(dá)到0.47左右。Cp是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)之一。對(duì)于變槳距的風(fēng)機(jī)而言，Cp和葉尖速比λ和槳距角β有關(guān)系，即Cp=f(λ，β)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Cp(λ，β)關(guān)系曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出，對(duì)于不同的λ和β，Cp的值都有所不同。對(duì)于每一個(gè)固定的槳距角β值，在不同的葉尖速比下，都能對(duì)應(yīng)找到一個(gè)最大值Cpmax。風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的主要工作之一，就是在最大程度上保證機(jī)組能夠工作在Cpmax，從而使得機(jī)組的發(fā)電效率達(dá)到最高。

1.3 驅(qū)動(dòng)鏈模型

驅(qū)動(dòng)鏈包括了齒輪箱、發(fā)電機(jī)等等核心部件。主要起到傳遞轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的作用。在研究控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)，只考慮其控制意義上的傳遞模型，一個(gè)常規(guī)的齒輪箱模型如公式(3)所示:

其中nin，nout為輸入和輸出轉(zhuǎn)速，Tin，Tout為輸入和輸出轉(zhuǎn)矩，i為傳動(dòng)比。ηG為傳動(dòng)效率。

發(fā)電機(jī)是驅(qū)動(dòng)鏈中最重要的一個(gè)部件，控制系統(tǒng)通過(guò)變流器對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。其控制模型可以通過(guò)公式 (4)表示:

其中Tm為發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩;Te為發(fā)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;J為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ωGen為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖3 Cpmax關(guān)系曲線

1.4 控制系統(tǒng)模型

對(duì)于變速變槳式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，控制系統(tǒng)從功能角度區(qū)分，可以分為:數(shù)據(jù)采集、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)這3個(gè)主要部分。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4.1 數(shù)據(jù)采集

除了常規(guī)的濾波器外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增加了一個(gè)特殊的濾波器，稱之為驅(qū)動(dòng)鏈阻尼器。它的主要功能是為驅(qū)動(dòng)鏈提供額外的阻尼，用于降低驅(qū)動(dòng)鏈的振動(dòng)。驅(qū)動(dòng)鏈阻尼器[4]的模型如公式(5)所示，其中ω為驅(qū)動(dòng)鏈共振頻率，ξ為驅(qū)動(dòng)鏈阻尼，τ為時(shí)間常數(shù)

1.4.2 控制器

控制器是控制系統(tǒng)的主體，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)風(fēng)機(jī)控制器，明確其控制需求是必不可少的，一般主要包括控制策略和控制算法兩個(gè)主要部分。

(1)控制策略

對(duì)于變速變槳式機(jī)組，根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同，其控制策略可分成3個(gè)控制區(qū)間，如圖5所示。

區(qū)間Ⅰ:在這個(gè)區(qū)間，變槳系統(tǒng)不啟動(dòng)。通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制使風(fēng)機(jī)工作在最佳Cp值之下。

區(qū)間Ⅱ:在這個(gè)區(qū)間，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制維持最佳Cp值的工作狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩之后，就需要通過(guò)控制轉(zhuǎn)矩來(lái)維持轉(zhuǎn)速的恒定，必要的時(shí)候需要啟動(dòng)變槳系統(tǒng)。

圖5 變速變槳式機(jī)組控制策略圖

區(qū)間Ⅲ:在這個(gè)區(qū)間，通過(guò)變槳控制維持機(jī)組的轉(zhuǎn)速，通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制維持發(fā)電機(jī)的額定功率輸出。

(2)控制算法

風(fēng)機(jī)的控制對(duì)象和控制目標(biāo)都比較明確，因此在仿真平臺(tái)中選用了相對(duì)最適合的增量式PID算法[5－6]，其優(yōu)點(diǎn)就在于每次計(jì)算的結(jié)果只是一個(gè)變化量Δy(n)，即使計(jì)算出現(xiàn)失誤，也不會(huì)對(duì)于整體的y(n)造成嚴(yán)重的影響。其標(biāo)準(zhǔn)如公式(6)所示。

1.4.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行結(jié)構(gòu)主要指的就是變流器和變槳系統(tǒng)。對(duì)于仿真系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，這兩個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)一個(gè)二階傳遞函數(shù)來(lái)表示，如公式(7)所示。

2 仿真結(jié)果比對(duì)

為了分析仿真平臺(tái)的運(yùn)行結(jié)果及其可行性，將仿真平臺(tái)的運(yùn)行結(jié)果和Bladed軟件進(jìn)行比較。Bladed軟件是目前風(fēng)電行業(yè)是使用最為廣泛的設(shè)計(jì)軟件之一[7]，因此具有很強(qiáng)的參考意義。比對(duì)結(jié)果如圖6和圖7所示。Bladed軟件所考慮的內(nèi)容更全面，采用的數(shù)學(xué)模型更加復(fù)雜，因此兩者在計(jì)算結(jié)果方面不可能做到完全一致。但是對(duì)比結(jié)果分析，可以看到計(jì)算結(jié)果非常接近。表明仿真平臺(tái)能夠很好的反映出風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的特性。

3 結(jié)束語(yǔ)

仿真平臺(tái)的搭建能夠?yàn)橐院蟾由钊氲匮芯亢驮O(shè)計(jì)控制系統(tǒng)提供一個(gè)相當(dāng)便利的平臺(tái)，不過(guò)由于國(guó)內(nèi)在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)方面的技術(shù)還相對(duì)不成熟，許多技術(shù)難點(diǎn)還沒(méi)有掌握，例如獨(dú)立變槳、塔架頻率控制等等。這就需要技術(shù)人員投入更多的時(shí)間和精力來(lái)攻克。而風(fēng)機(jī)的仿真技術(shù)也在不斷的更新，如何能夠更好地為設(shè)計(jì)人員提供技術(shù)上的支持，例如增加機(jī)械載荷計(jì)算等等，也需要在未來(lái)的工作中進(jìn)一步進(jìn)行研究。

圖6 靜態(tài)功率曲線比對(duì)

圖7 動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)

[1]Tony Burton，David Sharpe，Nick Jenkins.Wind Energy Handbook[M].England.JOHN WILEY ＆ SONS，LTD.，2001.

[2]D.A.J.Wouters，T.G.van Engelen.Modern wind turbine controller design[R].Netherlands.The Energy Research Center of the Netherlands ECN.2008

[3]IEC 61400 － 1，Wind turbines-Part 1:Design requirements[S].IEC，2010.

[4]E.Muljadi，C.P.Butterfield.Pitch-Controlled Variable Speed Wind Turbine Generation[R].USA.National Renewable Energy Laboratory.2000

[5]謝賜戩.基于 Bladed的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng).沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2008:17－27.

[6]盧奭瑄.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)力模型及循環(huán)變槳控制策略研究[D].沈陽(yáng).沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2012:42－46.

[7]Garrad Hassan.Bladed Theory Manual[M].England.Garrad Hassan ＆ Partners Ltd.2010