風力發(fā)電變槳系統(tǒng)中控制策略的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用

劉宇澤，陳 宇

1.大連市第八中學(xué)，遼寧大連 116021

2.華銳風電科技（集團）股份有限公司，北京 100872

風力發(fā)電變槳系統(tǒng)中控制策略的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用

劉宇澤1，陳 宇2

1.大連市第八中學(xué)，遼寧大連 116021

2.華銳風電科技（集團）股份有限公司，北京 100872

兆瓦級風力發(fā)電機組的電動變槳系統(tǒng)是保證風機安全、提高風機運行效率、減小風機載荷的關(guān)鍵。因此，能夠?qū)~準確地驅(qū)動到目標位置是變槳系統(tǒng)的主要任務(wù)。本文針對電動變槳系統(tǒng)引入一種優(yōu)化的控制策略，利用其簡單、跟蹤調(diào)節(jié)性能好、魯棒性強、能消除不可測干擾等優(yōu)點，提高變槳系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

變槳控制；風力發(fā)電；控制策略

1 緒論

電動變槳系統(tǒng)是風力機組功率控制和安全運行的重要執(zhí)行機構(gòu)，在機組運行中發(fā)揮著重要作用［1］。風機通過變槳系統(tǒng)改變?nèi)~片的角度來調(diào)節(jié)對風能的吸收，如何增加變槳系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高變槳系統(tǒng)的響應(yīng)速度和魯棒性對于機組安全穩(wěn)定運行顯得尤為重要。

2 電動變槳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

電動變槳系統(tǒng)主要由滑環(huán)、過壓保護裝置、變槳驅(qū)動器（一般是伺服驅(qū)動器）、變槳電機、后備電源等組成。電動變槳系統(tǒng)一般是由三個獨立的變槳驅(qū)動單元分別控制三個槳葉，這樣如果某個變槳控制單元出現(xiàn)故障，其它兩個槳葉可以完成順槳，從而使風機完成氣動剎車，保證風機安全。

電動變槳系統(tǒng)的變槳驅(qū)動器通過滑環(huán)與機艙中供電線路和風機主控制器相連，獲得動力電源和接受變槳控制信號，變槳驅(qū)動器同時具有一些IO信號處理功能。變槳電機是通過變槳減速機控制變槳軸承帶動槳葉旋轉(zhuǎn)。電機的編碼器反饋信號可以用來計算槳葉的位置。備用電源由儲能元件和充電器組成。備用電源需在主電源發(fā)生停電故障時為系統(tǒng)供電，使電動變槳系統(tǒng)將槳葉從工作位置驅(qū)動到順槳位置。

3 變槳系統(tǒng)的軟件設(shè)計要求

根據(jù)運行特點，變槳系統(tǒng)可分為3種工作模式：手動模式、安全模式、位置模式。手動模式的優(yōu)先級最高，變槳系統(tǒng)在人工接入手動控制盒之后觸發(fā)這種模式。在手動模式下，變槳驅(qū)動器根據(jù)手動控制盒的指令控制變槳電機按照設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)。安全模式是指變槳系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重故障時，變槳系統(tǒng)根據(jù)風機主控制器的指令或者由安全鏈IO信號觸發(fā)這種模式。位置模式由風機主控制器指令觸發(fā)，變槳驅(qū)動器控制變槳電機按照主控制器實時傳過來的速度設(shè)定值運行。

手動模式和安全模式都是臨時模式，并且都按固定的速度驅(qū)動變槳電機運行，所以控制起來較為容易，普通的伺服驅(qū)動器就可以很好地滿足工程需要。當風機在正常運行時，變槳系統(tǒng)運行在位置模式，葉片期望位置由風機主控制器根據(jù)當前發(fā)電機功率和轉(zhuǎn)速以固定的循環(huán)周期實時計算出來，進而由葉片期望位置計算出變槳電機的期望轉(zhuǎn)速，并通過通訊總線發(fā)給變槳驅(qū)動器。風機主控制器計算出的變槳電機期望轉(zhuǎn)速通過通訊總線傳輸?shù)阶儤?qū)動器需要一個周期的時間，而變槳驅(qū)動器執(zhí)行完指令并將葉片的實際位置反饋給風機主控制器也需要一個周期的時間，因此優(yōu)化的設(shè)計需要考慮兩個滯后環(huán)節(jié)的問題。

4 變槳控制算法設(shè)計

4.1控制算法簡介

本文討論的控制算法是在傳統(tǒng)反饋控制的基礎(chǔ)上，經(jīng)過變換產(chǎn)生的。很多實際控制系統(tǒng)，其被控對象的數(shù)學(xué)模型可近似視為帶純滯后的一階或二階環(huán)節(jié)。當純滯后環(huán)節(jié)用Taylor級數(shù)展開時，控制器可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的單位反饋控制，使控制器的設(shè)計更簡單實用。該控制器用于此類系統(tǒng)比傳統(tǒng)的反饋控制亦能獲得良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能［2］。

4.2變槳系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)

變槳系統(tǒng)控制器的期望葉片位置由風機主控制器根據(jù)當前發(fā)電機轉(zhuǎn)速和功率計算得出，作為控制器的輸入目標值。它減去兩個變量作為比例環(huán)節(jié)Kp的輸入，一個被減變量是實際伺服系統(tǒng)輸出的葉片實際位置與系統(tǒng)內(nèi)部伺服參考模型的輸出位置的差值經(jīng)過濾波之后的值，另一個被減變量是比例環(huán)節(jié)經(jīng)過積分后的內(nèi)部葉片位置。比例環(huán)節(jié)Kp的輸出是參考速度，分別送給了積分環(huán)節(jié)和實際伺服系統(tǒng)。積分環(huán)節(jié)的輸出是參考位置，作為反饋返回，同時也作為伺服系統(tǒng)參考模型的給定輸入。伺服系統(tǒng)參考模型的輸出是系統(tǒng)內(nèi)部計算出的葉片位置。伺服系統(tǒng)參考模型是根據(jù)變槳驅(qū)動器和電機建立的整體模型。實際伺服系統(tǒng)也是指變槳驅(qū)動器和電機的整體。

4.3系統(tǒng)中各參數(shù)的調(diào)節(jié)方法

增大比例系數(shù)Kp可以加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少誤差，但是如果過分增大Kp將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。伺服系統(tǒng)參考模型由一個一階慣性環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)構(gòu)成。一階慣性環(huán)節(jié)的慣性時間常數(shù)不應(yīng)該太大，伺服系統(tǒng)本身慣性就較少，這個環(huán)節(jié)可以當作濾波器用。純滯后環(huán)節(jié)的滯后時間應(yīng)該是系統(tǒng)的兩個通訊周期。反饋濾波器主要用于平滑信號，一般采取一階慣性濾波器。慣性時間常數(shù)對抑制干擾作用明顯，但是太大會使系統(tǒng)響應(yīng)變慢。

5 仿真實驗

根據(jù)前面的分析，在matlab中建立控制系統(tǒng)仿真模型。優(yōu)化的控制算法仿真結(jié)果如圖1所示。傳統(tǒng)PID控制算法仿真結(jié)果如圖2所示。從仿真結(jié)果可以看出優(yōu)化的控制算法比PID控制算法控制效果要好，超調(diào)小。

6 結(jié)論

本文介紹了一種風力發(fā)電機組的電動變槳控制技術(shù)。從分析系統(tǒng)的需求出發(fā)，設(shè)計了一種實用的電動變槳系統(tǒng)控制算法。通過仿真實驗證明，優(yōu)化的控制器設(shè)計較采用傳統(tǒng)的PID控制器設(shè)計的變槳系統(tǒng)能獲得良好的動態(tài)響應(yīng)，同時也能兼顧穩(wěn)定性和魯棒性。

［1］凌志斌，竇真蘭，張秋瓊，等.風力機組電動變槳系統(tǒng)［J］.電力電子技術(shù)，2011，45（8）：101-103.

［2］唐新宇，任智華，王萍.系統(tǒng)內(nèi)模控制器設(shè)計及其仿真［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，22（1）：84-86.

TM6

A

1674-6708（2015）147-0066-02