基于微处理器的风力发电机综合优化控制策略

许磊，张磊，蒋苗苗，金立军

(1.山东电力集团公司 济宁供电公司，山东 济宁 272000;2.同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804)

0 引言

随着地球上自然资源的消耗，新能源的发展成为当今世界各国的研究热点。风力发电作为一种可持续发展的新能源，在电力行业中将占有越来越重要的地位。风能具有能量密度低、随机性和不稳定性等特点，给大型风力发电机组的控制技术问题带来极大困难，且我国风力资源主要集中于中西部，风电需要大量并网输送给东部发达地区使用，因此对风机输出的电能质量有较高要求。

变桨距风力发电机组能够调整桨叶节距，从而改变获得的空气动力转矩，与定桨距发电机组相比，在额定功率以上输出平稳，风速过高时，能将功率限制在额定值附近;同时在启动时，可以尽可能多的吸收风能，获得足够的启动转矩。

水平轴风力机一般都需要偏航装置，也叫调向装置，确保风轮能够追踪风向，常用的有尾舵调向、侧风轮调向和伺服电机调向。伺服电机调向系统使用电机驱动转向装置，能够快速平稳地对准风向，使风轮获得最大风能。

本文提出一种基于微处理器的将风力发电机偏航系统与变浆距控制相结合的方法，通过实时获取风向风速信息，并利用控制系统根据风向和风速信息对风机进行控制，实现风能的最大利用，并保证输出电能的稳定性，实现风力发电机的最优控制［1－4］。

1 风力发电机原理

1.1 风力发电机结构

风力发电机主要由风力机和发电机两大部件组成，利用风力带动风力机叶片旋转，再通过连接轴将风力机的动能传递给发电机，最后由发电机输出电能。如图1所示为风力发电机结构简图，其中 1 为叶片，1、2、3、9、11 部分为风力机，7 为主轴，6 为发电机。

当风向正对着风轮叶片时，风力发电机从风能中捕获到的功率为:

图1 风力发电机结构简图

其中ρ为空气密度，S为风叶扫过面积，Cp(λ，α)为风能利用系数，λ为叶尖速比，α为桨距角，v为风速;λ=ωR/v，ω为风机的机械角速度，R 为风轮半径［5］。

本文采用式(2)［6］拟合函数Cp(λ，α)与λ和α之间的关系:

据此可知，在风机运行过程中，影响风机输出功率的因素主要有风速v和桨距角α。

1.2 风力发电机的偏航控制

偏航系统主要由偏航检测与控制部分、偏航机构和扭缆保护装置三大部分组成，其控制精度直接影响着风能的利用效率。偏航系统的作用有两个:一是可以在可用风速范围内控制风轮使之稳定地跟踪风向变化，在非可用风速范围下进行90°侧风控制;二是由于持续跟踪风向而造成电缆缠绕超过规定限值的情况下能够自动解缆，保障风电机组安全运行［7］。

1.3 风力发电机的变桨距控制

从式(1)可以看出，风力发电机确定之后，输出的功率只与风能利用系数Cp(λ，α)和风速v相关。当风速在额定风速以下时，偏航控制系统使风轮始终能够正向受风，叶片桨距角始终保持0°，以此保证风能利用系数Cp(λ，α)始终保持最大;当风速增大到额定风速时，风机的机械特性达到极限值，输出额定功率，若风速继续增大，风机将超负荷运行，此时需通过减小Cp(λ，α)使风机维持在额定功率处运行。

从式(2)可知，改变风能利用系数最简单有效的方法即改变桨距角大小，根据风力发电机的气动特性，当风机叶片与风向呈一定倾斜角度时，叶片的有效受风面积减小，倾斜角度越大，有效受风面积减小越多［8］。

2 基于微处理器的风机优化控制策略

2.1 风力发电机控制系统设计

本文提出的风力发电机控制系统由偏航系统和变桨距控制系统两个子系统组成，其硬件结构如图2所示，控制系统的核心部件为80C592微处理器，输入信息包括风速、风向、风轮角度、叶片转速等，微控制器根据输入信息计算出偏航角度和桨距角，并将结果传输给偏航电机和变桨机构，驱使两个机构运转。

图2 风力发电机控制系统结构图

偏航系统根据风向标传输的风向信息，驱动偏航电机运转，使风轮叶片方向始终保持与风向垂直，以获取最大风能。变桨距控制系统根据风速信息，采用PI调节的方法，在风机刚启动时，控制桨叶由 90°转动至 0°;当风速小于额定风速时，桨叶保持0°，获取最大风能;当风速大于额定风速时，控制桨叶旋转以保持输出功率恒定;当风速过大或紧急情况是，桨叶快速转动到90°，使风向与桨叶平行，桨叶失去迎风面，以保护风机。

如图3所示为风力发电机控制流程，当风速在额定风速以下时，只启动偏航系统，保证风机获得最大风能即可;当风速达到额定风速以上时，同时启动偏航系统和变桨距控制系统，保持风机输出功率不变;当风速过大有可能损坏风机时，采取紧急停车措施，使风叶与风向方向平行。

图3 风力发电机控制流程图

2.2 偏航系统控制策略

如图4所示为风机偏航系统控制算法流程，首先设置风轮迎风面法向的基准方向 θ0(设置为 0°)，风轮迎风面法向为 θ1，风向为 θ2(θ1、θ2均为顺时针方向上与基准方向的角度差)，阈值Δθ。风轮迎风面法向初始方向 θ1= θ0，当θ2－ θ1≥Δθ时，偏航系统驱动风轮顺时针旋转|θ2－ θ1|;当 θ2－θ1≤－Δθ时，偏航系统驱动风轮逆时针旋转|θ2－θ1|。旋转完毕后，修改 θ1值，使 θ1= θ2。

图4 偏航系统控制流程图

2.3 变桨距系统控制策略

本文采用PI控制算法［9］，对风力发电机组的实际输出功率P与额定功率P额定做差，得到差值e作为控制器的输入，并根据当前叶片的桨距角α'给出指导桨距角α，通过桨距角的调节，将风机的转速控制在额定转速上，从而输出额定功率。如图5所示为变桨距控制结构图。

图5中控制器PI控制算法定义为:

图5 变桨距控制结构图

式中Kp为比例环节，Kt为积分环节，e=P额定－P。风机三个叶片采用相同的控制算法，即三个叶片桨距角始终保持相等。

3 仿真结果分析

本文选用MATLAB软件建立100 kW风力发电机模型［10］，对风机运行过程进行仿真，选取常温标准大气压下空气密度ρ=1.225 kg/m3，风轮直径25 m，启动风速 3 m/s，额定风速 13 m/s，安全风速25 m/s，额定转速80 r/min。

根据以上参数，得到该风机仿真曲线图，如图6所示为风速与输出功率曲线图，图7所示为风速与桨距角曲线图。

图6 风速与功率曲线图

图7 风速与桨距角曲线图

从图6和图7仿真结果中可以看出，风速达到3m/s左右时，风机启动;在3m/s至13m/s之间，即额定风速以下，风机输出功率随风速的增大迅速增长，在风速为13m/s时，功率达到额定功率100 kW，在此阶段内，叶片桨距角始终保持0度;风速在13m/s至25 m/s之间，即额定风速以上时，桨距角随风速的增大而增大，保证风机输出功率维持在额定功率100 kW;风速达到25m/s时，风机采取紧急制动措施刹车，桨距角变为90度，输出功率为零。整个过程中，偏航系统始终保持风机正对风向。

4 结束语

本文介绍了将偏航控制系统与变桨距控制系统相结合的风力发电机优化控制策略。在不同风速下采取不同的控制方法，从风机启动开始至风速达到额定风速，风叶桨距角保持0度;在额定风速以上，采用PI调节方法实现变桨距控制，维持输出功率不变;风速在额定风速以上时，采取制动刹车措施。最后，提出了具体的实现方法，并进行仿真，仿真结果表明，该方法能够实现对风机有效控制，具有较高的可行性。

［1］ 夏安俊.风力发电机组最大功率点跟踪控制系统的研究［D］.无锡:江南大学，2008.

［2］ Muyeen SM，Takahashi R，Murata T，et al.A variable speed wind turbine control strategy to meet wind farm grid code requirements［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2010，25(1):31 －34.

［3］ 姚骏，廖勇.直驱永磁同步风力发电机的最佳风能跟踪控制［J］.电网技术，2008，32(10):11 －15.

［4］ Liu Ji－hong，Xu Da－ping，Yang Xi－jun.Multi objective power control of a variable speed wind turbine based Hinfinity on theory［C］//IEEE international Conference on Machine Learning and Cybernetics(ICMLC)，2008:2036－2041.

［5］ 王斌，吴焱.变速变桨距风电机组的高风速变桨距控制［J］.电力自动化设备，2010，30(8):81 －83.

［6］ 何玉林，刘军.变速变桨距风力发电机组控制策略优化［J］.电力系统保护与控制，2011，39(12):55 －60.

［7］ 李晓燕.兆瓦级风力机偏航控制系统设计研究［D］.上海:上海交通大学，2006.

［8］ 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.

［9］ 任海军，何玉林.变速变桨距风力机功率控制策略［J］.电网技术，2011，35(8):59 －63.

［10］ Iov F，Hansen A D，Sorensen P，et al.Wind turbine block－set in MATLAB/Simulink［M］.Aalborg University，2004.