許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 李躍磊

小型風(fēng)力發(fā)電機的限速控制研究

許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 李躍磊

本文從變槳距風(fēng)力機的空氣動力學(xué)理論入手，運用對空氣動力學(xué)分析求得貝茲理論的極限值，通過風(fēng)能的利用系數(shù)及葉尖速比之間的關(guān)系，從而得出風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)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(diào)節(jié)加以分析，驗證了此模型的可靠性。

空氣動力學(xué)；PID控制；雙饋發(fā)電機；變槳調(diào)節(jié)

1.引言

隨著國家對風(fēng)力發(fā)電機的重視以及發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，高新技術(shù)不斷運用到風(fēng)力發(fā)電之中，使得風(fēng)力發(fā)電的性能得到了很大的提升。風(fēng)力發(fā)電機有效利用了可再生能源，而中國是世界上風(fēng)能資源現(xiàn)存比較豐富的國家之一，更需要開發(fā)風(fēng)電技術(shù)。風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機的控制比較靈活，對中小型風(fēng)力電機組特性加以研究，同時控制技術(shù)應(yīng)用運用風(fēng)力發(fā)電當(dāng)中可以提高中小型風(fēng)機的利用率和可靠性，因此對其研究具有重大的意義。

2.風(fēng)力機變槳距控制

多變量的變槳距電機組，具有復(fù)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(shù)學(xué)建模。通過PID參數(shù)的整定，使線性系統(tǒng)控制的精確性得到提升，而風(fēng)電系統(tǒng)是利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機機械能的裝置，在風(fēng)能系統(tǒng)中它的控制是比較復(fù)雜的。在風(fēng)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(tǒng)的空氣動力學(xué)模型可表述為：

式中：P為風(fēng)輪吸收功率；ω為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度； c為風(fēng)能的利用系數(shù)；ρ為空氣的密度；r為風(fēng)輪的半徑；v為上風(fēng)向的風(fēng)速。

系統(tǒng)變槳距執(zhí)行機構(gòu)：

其中：Tβ—變槳距執(zhí)行機構(gòu)時間常數(shù)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(tǒng)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(gòu)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(gòu)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(tǒng)中占有主要部分，它不但對風(fēng)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(diào)整，從而使風(fēng)機進行穩(wěn)定運行。

（2）當(dāng)風(fēng)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(zhuǎn)動，使風(fēng)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(fēng)速高于額定的輸出值時，通過改變槳距調(diào)節(jié)器的值控制電機轉(zhuǎn)速，使電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)CP值，達到使空氣流動時的動能能更多的被風(fēng)力機轉(zhuǎn)化；當(dāng)風(fēng)速增加甚至大于到額定風(fēng)速的值以后，此時經(jīng)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(tǒng)一變槳距控制策略

統(tǒng)一變槳距就是改變風(fēng)力機整個的風(fēng)力機葉片的節(jié)距角β，也同時使其改變統(tǒng)一的角度。一般情況下依據(jù)輸出功率和風(fēng)速作為控制量給槳距角指令，傳統(tǒng)的風(fēng)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(fēng)力機組的起動階段和風(fēng)速不高于額定風(fēng)速的欠功率階段時來控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速，由控制欠功率階段的轉(zhuǎn)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(fēng)速大于額定后，這時風(fēng)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(fēng)力電機的控制圖

3.變槳距執(zhí)行機構(gòu)

3.1風(fēng)力發(fā)電機變槳控制

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

圖2 電動變槳距系統(tǒng)框圖

圖2可以看出，在變槳控制系統(tǒng)圖中，電路經(jīng)過不間斷電源（UPS）作為補償點能保護，經(jīng)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(fēng)速反饋值進行比較后傳送到數(shù)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(jīng)過減速器進行調(diào)節(jié)，同時調(diào)動槳距角的大小，再經(jīng)過雙饋發(fā)電機對槳距角和風(fēng)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(diào)整，接著進行數(shù)字信號處理，把合適的數(shù)據(jù)值傳輸?shù)侥孀兤髦姓{(diào)節(jié)電壓的大小，這樣迅速的對變槳控制做出精確的調(diào)整。

3.2變槳距電動執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)的控制

電動變槳距控制就是伺服電機的位置控制，根據(jù)永磁同步電機在一定坐標(biāo)系下各個量的關(guān)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(diào)節(jié)器進行PI控制調(diào)節(jié)。把位置檢測到的參考值與轉(zhuǎn)子反饋電流值的變化量送給電流調(diào)節(jié)器，同時比例積分進行調(diào)節(jié)，其結(jié)果就是轉(zhuǎn)矩電流給定值，對轉(zhuǎn)矩要想實現(xiàn)更好的控制作用，還必須經(jīng)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(diào)節(jié)器和電流的調(diào)節(jié)下的結(jié)合下動態(tài)響應(yīng)更加迅速。

圖3 永磁同步電動機伺服系統(tǒng)控制框圖

圖4 在風(fēng)速5m/s下輸出的轉(zhuǎn)速

圖5 在風(fēng)速5m/s下輸出的功率

4.結(jié)論

本文仿真是對一臺變槳風(fēng)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(fēng)速分別是5m/s和18m/s的仿真結(jié)果圖，PID的控制器參數(shù)是kp=0.006，kI=0.002，kD=0.002。

圖6 在風(fēng)速18m/s輸出的轉(zhuǎn)速

圖7 在風(fēng)速18m/s輸出的功率

本文，在提前分析了風(fēng)力機，風(fēng)能的特性和異步私服電機的理論基礎(chǔ)下，研究了最大風(fēng)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(jié)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(xué)校重點科研項目，15A470020。