风力发电机组电动变桨控制系统论述

徐向宇 贾春雁

【摘要】在风力发电机组中，变桨机组已经取代定桨机组成为风机商业化发展的主流。变桨系统是风电机组功率控制和平稳运行的重要执行部分，在其运行中发挥着主导作用。本文主要讨论风力机组功率控制方法，研究了模糊PID 统一变桨距功率控制系统、基于来流角预测的独立变桨距功率控制策略。

【关键词】变桨机构；独立变桨；

一、变桨系统控制原理

本系统采用变速变桨距调节的控制方式，通过频率转换器耦合发电机与电网，允许通过控制发电机的反作用力矩来改变转速，在高风速时，转矩被保持在额定水平，变桨距控制用于调节转速及功率，

二、控制器及仿真模型建立

针对本系统，将模糊控制与PID控制算法相结合设计了一种通过模糊规则切换两种控制规律的无触点的切换方式，优化了控制器的设计，弥补了常规算法的不足，采用这种方法的Fuzzy-PID分段复合控制器和仿真模型

三、风电机组控制系统概述

随着风电机组单机容量的不断加大，塔架高度和叶轮直径也随之不断扩大，兆瓦级风力发电机组在额定风速的情况下，桨叶在旋转过程中其最高端和最低端垂直高度上的功率吸收相差20% 以上，这使得普通叶轮统一变桨距控制在大型机组上无任何优势可言。变桨距控制系统作为兆瓦级风力发电机组控制系统的核心部分之一，对机组高效、稳定、安全的运行具有非常重要的作用。而独立桨叶变距系统的每只桨叶都有一套独立的变距伺服驱动系统，采用独立桨叶变桨距控制方法可以减少传动系统的故障率，减轻输出力矩脉动，提高系统运行可靠性和稳定性，提高机组运行寿命。同时独立桨叶变距控制不仅拥有普通叶轮整体变距控制的优点，还能很好地解决垂直高度上风速变化对风机的影响这一不利因素。但是如果采用液压伺服驱动，其系统结构过于复杂，会给维护和修理造成一定难度。因此，独立变桨距控制系统现在通常都采用电动机驱动方式。

本文在分析风电机组变桨距控制研究现状的基础上，提出优化的变桨距控制策略，利用Matlab/Simulink对其进行仿真，设计了基于模糊控制的变桨距控制器，使控制效果得到了提高。下面的实例，是以典型的独立变桨控制系统来说明变桨控制系统的基本构成。一般的独立电动变桨控制，主要是由3套独立的变桨装置组成，不但提高了风力机的输出功率，还可以允许3个桨叶独立变桨，即使在其中一个桨叶刹车制动失败时，其他2个桨叶也可以实现安全刹车的过程，提高了整个系统的安全性，能全面满足其刹车制动需要。

电控变桨系统构成

变桨距控制（Active Pitch Control）技术，简单来说就是通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，从而控制风轮捕获的气动功率和气动转矩。近年来国内外在变桨距控制上，主要采用液压变桨控制和电控变桨控制，以及目前正处在研制階段的电液比列变桨控制。其中电变桨距主要采用了两种控制方法，即统一变桨距控制（Collective Pitch Control）和独立变桨距控制（Individual Pitch Control）。统一变桨距控制指风力机全部叶片的节距角都同时改变相同的角度，是目前使用最广泛、应用最为成熟的控制技术；独立变桨距控制是指风力机的每支叶片根据自己的控制规律独立地变化节距角，是在统一变桨距的基础上发展起来的新型变桨距控制理论和方法，具有较高的前导性。

四、统一变桨距的功率控制与仿真

PID控制器根据PID控制原理，对整个控制系统进行偏差调节，以其算法简单、应用性好、可靠性高等优点，广泛用于工业自动控制领域。根据有关实验证明，基于模糊逻辑的参数自整定PID控制器，在解决线性控制问题的同时，也能很好地应用于非线性系统。在功率控制过程中，模糊控制器根据功率偏差信号e及其变化率e调节比例系数Kp、微分系数Kd和的积分系数Ki数值，因此模糊控制规则是模糊控制的核心算法。从实际控制经验和PID算法中各环节的不同作用，设计者可以总结出参数整定规则，这些规则为制定模糊控制规则提供了依据和算法基础。

五、独立变桨距功率控制与仿真

风速在风轮平面内沿高度的分布具有极高的持续性和规律性，因此我们可以利用神经网络技术对其进行预测。其预测方法为，预先测量塔影效应和风切对风速分布的影响，之后使用大量观测数据对神经网络进行训练，使用训练好的神经网络去估算不同高度的风速。考虑到在统一变桨的基础上，用特定式对每个桨叶指定位置的来流角进行实时预测，并利用其变化量分别修正每个桨叶的节距角，则得各桨叶的节距角变化量，最后以特定式实现对来流角的预测。

六、统一变桨与独立变桨的系统分析

在风力机桨叶气动力分析中我们得知，桨叶在剧烈变化的轴向气动力下将产生“挥舞”型震颤。鉴于此，通过节距角跟随来流角变化式来完成独立变桨控制。预测段来流角的变化能被各桨叶的节距角迅速跟踪，可以很好地限制攻角周期性变化幅值，减轻了桨叶的气动疲劳载荷，同时也控制了轴向气动力变化的幅值，对于延长桨叶的使用寿命起到了重要作用。

独立变桨和统一变桨在功率控制效果上，独立变桨比统一变桨更合理。在大型风力机中，桨叶会因气流发生“挥舞”型震颤，通过分析和仿真，我们提出基于来流角预测的独立变桨距控制策略，应用于统一变桨的模糊PID 参数自整定控制器设计，这就能使统一变桨距控制较好地实现大型风电机组对功率控制的要求。由于风速在风轮平面上分布不均匀，独立变桨可以使节距角在风速低的位置时较小，风速高的位置时较大，这样可以减少桨叶在风轮不同位置的气动扭矩波动，使输出功率更平稳。仿真结果表明，独立变桨距控制可有效减轻桨叶的气动疲劳载荷，减小因风速沿高度分布不均匀产生的气动轴向力的周期性变化，因此独立变桨距控制比统一变桨距控制所输出功率更加稳定。本文仅对变桨距控制的方法和控制结果进行分析，尚待在生产实践中进行验证。

参考文献：

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