模糊PID变桨距控制器研究

王馨凝，夏加宽，卢奭瑄

(1.沈阳市信息工程学校，辽宁 沈阳 110122;2.沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110870)

1 引言

由于风力发电系统具备环保性高、单机容量大、系统控制可靠性强等特点，已成为电力系统新兴的重要发展方向之一［1］。然而，风能是一种随机性能源，风速脉动往往导致风机系统输出功率脉动。同时，风力发电机片叶的气动非线性，以及系统参数的不确定性和机械运动过程的复杂性，给风力发电机系统建模带来了很大难度［2，3］。因此，对风力发电机桨距控制的研究显得尤为重要。

本文在分析变速变桨风力发电机运行特性的基础上，提出一种在高风速范围内，采用变桨控制方式，来调整发电机转矩恒定的控制策略，即采用PI变桨距控制方式来调节发电机的转矩稳定。通过对某1.5MW风力发电机参数的仿真计算，验证了所提出的控制策略，能够起到稳定电机转矩效果。

2 风力发电系统数学模型分析

风力发电机是工作在不可预知的风速环境条件下，并且有着严格的并网苛求的复杂系统，风力机组的动态方程为:

式中，J为风轮的转动惯量;ω为风轮转动的角速度;Tv为风轮获取的气动转矩;Te为发电机的反力矩。

其中:ρ为空气密度;A为桨叶扫掠面积;Cp为风能利用系数;λ为叶尖速比;β为桨距角;V为风速;Tv为气动转矩;ω 为风力机主轴转速［4，5］。

在风机系统中，用风能利用系数Cp来描述风力机对风能的利用率，并且可以看作为叶尖速比λ和桨距角β的非线性函数关系。变速变桨风力机的风能利用系数Cp可以看作叶尖速比λ和桨叶的节距角β的函数关系，由文献［6］可知:

由Cp的关系式可以看出，可以通过调节桨距角β降低风能利用系数Cp，从而将风力机主轴的转速ω稳定在额定转速ω0。在风速低于额定风速时，通过变速恒频装置，风速变化改变发电机转子转速，使风能利用系数恒定在Cpmax，控制发电机输出频率稳定;在风速高于额定风速时，调节桨叶节距角从而改变发电机输出功率，使输出功率稳定在额定功率。

3 变桨PI控制器设计

由前面公式论述可知，由于Cp是β、λ的非线性函数关系，因此对式(1)进行线性化。线性化的工作点选取在β为0时风力机工作的最优位置。简化了模型。这点是对应额定风速时的额定功率点。并取变速发电机反力矩为恒值［6］。

其中系数为:

变桨距执行机构分析:

式中:Ts为变桨伺服执行时间;β0为桨距角给定值。仿真过程可以定义为:βa(s)=Mβd(s)，其中M为执行过的传递函数。

基于上面的分析可以得到:

其中的K为过程系数。系统的线性关系图见图1。

图1 系统的线性化关系框图

4 实际算例分析

本文根据国内某1.5MW实验样机参数，桨叶半径为34m;空气密度为1.225kgm3;额定风速12m/s;切出风速25m/s;风机额定转速20;发电机额定转矩8600Nm;风机转动惯量3.8×106kgm2;齿轮箱变比90;变桨器响应时间0.05s。对前文介绍的风力机在高于额定风速区设计的PI变桨控制器进行仿真验证。假定风能利用系数Cp总能控制在最优点。

图2 变速变桨风力发电机PI控制器MATLAB仿真结果

从图2中可以看出，风电系统在高风速区，可以通过对桨叶节距角的调节，控制柜主轴转速已达到稳定系统转矩的目的。仿真结果表明，PI变桨控制器能达到预先控制要求。

5 结语

本文通过对变速变桨距风力发电机的数学模型的分析，设计了一种PI桨距角控制器。理论分析和仿真结果表明该控制器具有以下特点:第一，该控制器可以在较大风速范围内实现风电系统的电机转矩稳定，有助于提高电网的频率和电压稳定性;第二，该控制器对参数不确定性、风速随机变化、发电机转矩扰动和其他非参数化不确定性具有较强的鲁棒性。

［1］Petru T，Thiringer T.Modeling of wind turbines for power system studies［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2002，17(4):1132 －1139.

［2］Sahin A D.Progress and recent trends in wind energy［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2004，30(5):501 －543.

［3］耿华，杨耕.变速变桨距风电系统的功率水平控制［J］.中国电机工程学报，2008，28(25):130 －137.

［4］Slootweg J G，Kling W L，Polinder H.Dynamic modeling of a wind turbine with doubly fed induction generator［C］.Power Engineering Society Summer Meeting，Vancouver，Canada，2001.

［5］王承煦，张源.风力发电［M］.北京:中国电力出版社，2003:56.

［6］Slootweg J G，Polinder H.Representing wind turbine electrical generating systems in fundamental frequency simulations［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2003，18(4):516 －524.