小型風力發(fā)電機的限速控制研究

許昌學院電氣信息工程學院 李躍磊

小型風力發(fā)電機的限速控制研究

許昌學院電氣信息工程學院 李躍磊

本文從變槳距風力機的空氣動力學理論入手，運用對空氣動力學分析求得貝茲理論的極限值，通過風能的利用系數及葉尖速比之間的關系，從而得出風力發(fā)電的系統變槳距控制方法，最后對變槳距的運行狀態(tài)進行仿真及變槳調節(jié)加以分析，驗證了此模型的可靠性。

空氣動力學；PID控制；雙饋發(fā)電機；變槳調節(jié)

1.引言

隨著國家對風力發(fā)電機的重視以及發(fā)電技術的快速發(fā)展，高新技術不斷運用到風力發(fā)電之中，使得風力發(fā)電的性能得到了很大的提升。風力發(fā)電機有效利用了可再生能源，而中國是世界上風能資源現存比較豐富的國家之一，更需要開發(fā)風電技術。風力發(fā)電也能很大程度上減緩我國電力欠缺以及能源的急需，中小型風力發(fā)電機的控制比較靈活，對中小型風力電機組特性加以研究，同時控制技術應用運用風力發(fā)電當中可以提高中小型風機的利用率和可靠性，因此對其研究具有重大的意義。

2.風力機變槳距控制

多變量的變槳距電機組，具有復雜的非線性特性。要想更好的利用PID控制，就需要對其進行數學建模。通過PID參數的整定，使線性系統控制的精確性得到提升，而風電系統是利用風能轉化為機機械能的裝置，在風能系統中它的控制是比較復雜的。在風電機組中，如果齒面的硬度較高，則在正常使用時不會帶來太大的損失，在這種的情況下，系統的空氣動力學模型可表述為：

式中：P為風輪吸收功率；ω為風輪旋轉的角速度； c為風能的利用系數；ρ為空氣的密度；r為風輪的半徑；v為上風向的風速。

系統變槳距執(zhí)行機構：

其中：Tβ—變槳距執(zhí)行機構時間常數值；β—槳距角的實際值；βr—槳距角參訂值。

2.1變速變槳距控制系統策略

對于各式各樣的電機組來說，在變速變槳距模型上增加變槳距執(zhí)行機構后，對它的控制就很難來估計，這樣要想對變槳控制的精確度的提升，就必須添加另外兩個控制機構控制器和對輸出功率控制的控制器。

（1）主控制器在控制系統中占有主要部分，它不但對風機進行控制，而且也控制功率控制器，然后對變槳距控制器進行調整，從而使風機進行穩(wěn)定運行。

（2）當風速達到額定功率時，改變變速恒頻控制對齒輪箱進行控制，間接的控制槳葉轉動，使風輪在良好的尖速比下運行；功率控制器控制變流器，這樣就可以使功率穩(wěn)定的輸出。

（3）若風速高于額定的輸出值時，通過改變槳距調節(jié)器的值控制電機轉速，使電機的轉速調節(jié)CP值，達到使空氣流動時的動能能更多的被風力機轉化；當風速增加甚至大于到額定風速的值以后，此時經由增加β值，使CP的值下降，從而減少發(fā)電機的輸出能量。

2.2統一變槳距控制策略

統一變槳距就是改變風力機整個的風力機葉片的節(jié)距角β，也同時使其改變統一的角度。一般情況下依據輸出功率和風速作為控制量給槳距角指令，傳統的風力發(fā)電變槳距控制框圖如1圖所示。其中，速度控制器的作用是風力機組的起動階段和風速不高于額定風速的欠功率階段時來控制發(fā)電機轉速，由控制欠功率階段的轉速來保持葉尖速比使其運行在最好狀態(tài)。而變槳距控制主要的是發(fā)生在風速大于額定后，這時風電機組將進入額定運行狀態(tài)。將給定值和功率反饋信號加以比對，若是功率大于額定功率時，槳葉節(jié)距角就會提高，反之則下降。

圖1 變槳距風力電機的控制圖

3.變槳距執(zhí)行機構

3.1風力發(fā)電機變槳控制

在風力發(fā)電機的變槳距控制系統中，其對槳葉節(jié)距角的控制具有非常關鍵的作用的是它的執(zhí)行機構的結構，如今主要利用的是電動和液壓執(zhí)行機構。在這兩個執(zhí)行方式中，液壓驅動的變槳系統具有漏油和卡澀等一些問題，如果用電機驅動葉片旋轉帶動變槳系統，則每個葉片的單獨控制就很容易實現了，然對槳葉的控制也將非常容易實現。電動變槳距控制系統框圖如圖2所示。

圖2 電動變槳距系統框圖

圖2可以看出，在變槳控制系統圖中，電路經過不間斷電源（UPS）作為補償點能保護，經過UPS到達逆變器直流變?yōu)榭衫玫钠椒€(wěn)交流電，輸出功率的參考值與風速反饋值進行比較后傳送到數字信號處理器中進行信息處理，然后傳送到逆變器中重新逆變整流；永磁同步電機另一部分經過減速器進行調節(jié)，同時調動槳距角的大小，再經過雙饋發(fā)電機對槳距角和風速的一個測量和比較，得出反饋電流值；最后輸出的功率反饋到變槳控制器中進一步對槳距角從新的調整，接著進行數字信號處理，把合適的數據值傳輸到逆變器中調節(jié)電壓的大小，這樣迅速的對變槳控制做出精確的調整。

3.2變槳距電動執(zhí)行機構系統的控制

電動變槳距控制就是伺服電機的位置控制，根據永磁同步電機在一定坐標系下各個量的關系方式列出其模型，接著對其進行控制?？刂圃砣鐖D3所示。

其中，位置參考值是由控制器所決定的，位置參考值與光電編碼器所測的位置反饋值對比，所得的差值傳送給位置調節(jié)器進行PI控制調節(jié)。把位置檢測到的參考值與轉子反饋電流值的變化量送給電流調節(jié)器，同時比例積分進行調節(jié)，其結果就是轉矩電流給定值，對轉矩要想實現更好的控制作用，還必須經由空間矢量控制使得出磁通的空間位置與電流矢量的方向成90°；再調節(jié)器和電流的調節(jié)下的結合下動態(tài)響應更加迅速。

圖3 永磁同步電動機伺服系統控制框圖

圖4 在風速5m/s下輸出的轉速

圖5 在風速5m/s下輸出的功率

4.結論

本文仿真是對一臺變槳風力機在較穩(wěn)速的情況下進行的仿真，仿真用的軟件是Matlab10.0/Simulink。如圖4，5，6，7所示額定風速分別是5m/s和18m/s的仿真結果圖，PID的控制器參數是kp=0.006，kI=0.002，kD=0.002。

圖6 在風速18m/s輸出的轉速

圖7 在風速18m/s輸出的功率

本文，在提前分析了風力機，風能的特性和異步私服電機的理論基礎下，研究了最大風能的追蹤以及額定功率穩(wěn)定運行的控制方略，并且了利用了PID控制的方略進行了仿真，仿真結果驗證了模型的可靠性，但在精確上還是有所不足。

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李躍磊（1984-），男，河南許昌人，助理實驗師，研究方向：自動控制。

河南省高等學校重點科研項目，15A470020。