陳光宇

（秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，秦皇島 066100）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為一種新的、安全可靠的潔凈能源，其優(yōu)越性為越來越多的人所認(rèn)可。風(fēng)能是一種能量密度低、穩(wěn)定性較差的能源，由于風(fēng)速風(fēng)向的隨機(jī)性變化，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)葉片攻角不斷變化，使葉尖速比偏離最佳值，風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力效率及輸入到傳動(dòng)鏈的功率發(fā)生變化，影響了風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電效率并引起轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)鏈的振蕩，會(huì)對(duì)電能質(zhì)量和接入電網(wǎng)產(chǎn)生影響，對(duì)小電網(wǎng)甚至?xí)绊懫浞€(wěn)定性。風(fēng)電機(jī)組的功率控制方式目前一般分為四類：定速失速調(diào)節(jié)、定速變槳距調(diào)節(jié)、變速失速調(diào)節(jié)和變速變槳距調(diào)節(jié)[1]。

傳統(tǒng)的最佳葉尖速比控制和槳距角控制采用線性控制方法，基于線性化模型，采用風(fēng)速和轉(zhuǎn)速測(cè)量值進(jìn)行反饋控制[2]。相對(duì)于定槳距的失速型風(fēng)機(jī),變槳距風(fēng)機(jī)具有在額定功率點(diǎn)以上輸出功率平穩(wěn)恒定的優(yōu)點(diǎn)[3]。變速變槳距調(diào)節(jié)在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，采用的是變速控制，此時(shí)風(fēng)能效率高于采用失速控制風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能效率，具有優(yōu)化的氣動(dòng)特性；在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，采用得還是變槳距控制方式，采用改變槳距控制，通過槳距角的改變，從而改變作用在風(fēng)輪上的氣動(dòng)扭矩，使功率保持在恒定值。

1 變速控制原理

不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化而變化，每一種風(fēng)速下都存在一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)Cpmax。將各個(gè)風(fēng)速下的最大輸出功率點(diǎn)連接起來，就可以得到風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率的最佳曲線Popt。要使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在這條曲線上，必須在風(fēng)速變化時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，以保持最佳葉尖速比，風(fēng)力機(jī)將會(huì)獲得最大風(fēng)能捕獲，有最大機(jī)械功率輸出[4]。

圖1 控制策略原理圖

如圖1所示，假設(shè)原來在風(fēng)速v2下風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在最優(yōu)功率曲線Popt的B點(diǎn)，對(duì)應(yīng)著該風(fēng)速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速ω2和最優(yōu)的機(jī)械功率P2，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率等于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出的功率。如果某一時(shí)刻風(fēng)速突然升高至v3，風(fēng)力機(jī)馬上就會(huì)由B點(diǎn)跳至v3風(fēng)速下功率曲線上的D點(diǎn)運(yùn)行，其輸出機(jī)械功率由P2突變至P3。由于大的機(jī)械慣性作用和控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程滯后，發(fā)電機(jī)仍然運(yùn)行在B點(diǎn)，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率大于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出的功率，功率的不平衡，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速馬上升高。在這個(gè)變化過程中，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)將分別沿著v3風(fēng)速下功率曲線的DC軌跡和最優(yōu)功率曲線的BC軌跡運(yùn)行。當(dāng)分別運(yùn)行至風(fēng)力機(jī)功率曲線和最優(yōu)功率曲線的交點(diǎn)C時(shí)，功率將重新達(dá)到平衡。此時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在對(duì)應(yīng)于風(fēng)速v3下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速ω3，風(fēng)力機(jī)輸出最優(yōu)的機(jī)械功率P3。同理，也可以分析風(fēng)速從高到低變化時(shí)，最大風(fēng)能捕獲過程和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程。

2 變速變槳距控制

在風(fēng)速低于額定風(fēng)速這段工作范圍，設(shè)計(jì)成采用變速控制。采取對(duì)電機(jī)進(jìn)行變速控制達(dá)到功率的最大吸收，電機(jī)扭矩根據(jù)公式(1)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 風(fēng)力機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩關(guān)系

當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行變槳距控制，按照所需要的功率系數(shù)值確定所需要的變槳角度，以保證功率的穩(wěn)定。根據(jù)變漿距角隨風(fēng)速的變化規(guī)律[5]建立仿真模型，如圖2所示，仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖2 變槳控制仿真模型

圖3 槳距角隨風(fēng)速變化曲線圖

3 PID控制

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般組裝在環(huán)境比較惡劣的無人區(qū)，所以對(duì)風(fēng)電機(jī)組的變槳距系統(tǒng)的控制采用智能控制。電機(jī)扭矩和變槳機(jī)構(gòu)的控制均采用智能PID控制，即通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)自適應(yīng)的智能控制，如圖4。對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的設(shè)計(jì)主要從以下兩個(gè)部分著手：

1）經(jīng)典的PID控制器，它直接對(duì)被控對(duì)象過程閉環(huán)控制，并且3個(gè)參數(shù)kp、ki、kd為在線整定式；

2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，以期達(dá)到某種性能指標(biāo)的最優(yōu)化，即使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對(duì)于PID控制器3個(gè)可調(diào)參數(shù)kp、ki、kd，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自身學(xué)習(xí)，加權(quán)系數(shù)調(diào)整，從而使其穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制率下的PID控制參數(shù)。

圖4 變槳變速系統(tǒng)人工智能控制圖

4 仿真結(jié)果分析

對(duì)控制系統(tǒng)改良設(shè)計(jì)后，由于變速失速控制和定速變槳距控制同采用了變速控制或者是變槳距控制，研究了變速變槳距控制策略，也就相當(dāng)于研究了這兩種控制策略。采用本文建立的分析模型，計(jì)算了目前常用四種控制策略的計(jì)算結(jié)果，結(jié)果如圖5所示。

圖5 變速變漿距控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能分析

從圖5可以看出，風(fēng)速到達(dá)額定風(fēng)速之前，變速控制對(duì)風(fēng)能的吸收利用最好，在這一階段，變速變槳控制和變速失速控制的發(fā)電功率差不多；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，變槳距控制對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率的穩(wěn)定起到了重要重用，此時(shí)變速變槳距控制和定速變槳距控制都能使功率穩(wěn)定在額定功率上。從總的發(fā)電效果來說，采用變速變槳距控制策略的風(fēng)電機(jī)組發(fā)電品質(zhì)要好于其它三種控制方式。

5 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，我們可得出如下結(jié)論，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的變速變槳距控制系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）在風(fēng)速從切入風(fēng)速到額定風(fēng)速時(shí)，采用變速控制策略的風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)能的利用比定速控制風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)能的利用率高。

2）在風(fēng)速從額定風(fēng)速到切出風(fēng)速時(shí)，相對(duì)失速控制風(fēng)電機(jī)組，采用變槳距控制風(fēng)電機(jī)組的功率恒定，發(fā)電品質(zhì)較好。

綜上所述，采用變速變槳距控制的風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電品質(zhì)相對(duì)采用其它幾種控制策略的風(fēng)電機(jī)組發(fā)電品質(zhì)更高、更好。

[1] Eduard M uljadi, Butterfield C P.P itch2cont rolled variable 2speedwind turbine generation.IEEE Trans on IA ,2001,1(37):240-246.

[2] A.D.Diop,C.Nichita,J.J.Belhache,B.Dakyo,and E.Ceanga,＂Modeling of a variable pitch HAWT characteristics for a real-time wind turbine simulator,＂Wind Eng.,vol.23,no.4,p p.225–243,1999.

[3] Bose B K,王聰,等譯.現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動(dòng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4] 林勇剛,李偉,等.變速恒頻風(fēng)力機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)[J].杭州:農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005.

[5] 耿華,周宏林,等.變速變槳距風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的逆系統(tǒng)控制器性能評(píng)估[J].電力電子,2008.2:45-49.