賀少華+廖明夫+王四季+劉永偉+李浩

摘 要： 針對變速變槳風(fēng)力機組的特點，基于風(fēng)力機半物理仿真平臺，根據(jù)建立的組合風(fēng)速模型及風(fēng)力機不同的運行區(qū)域，研究了考慮機械傳遞、阻尼等因素的風(fēng)力機PID控制方法，并進行了實驗驗證。結(jié)果表明，真實物理平臺實驗更能體現(xiàn)風(fēng)力機的機械特性，建立的PID控制方法也較為貼近真實風(fēng)機的控制特性。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)力發(fā)電機組； 風(fēng)速模型； 半物理仿真平臺； PID控制

中圖分類號： TN911.7?34； TK81 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0132?04

Wind turbine PID control based on semi?physical simulation platform

HE Shao?hua， LIAO Ming?fu， WANG Si?ji， LIU Yong?wei， LI Hao

（Institute of Monitoring and Control for Rotating Machinery and Wind Turbines， Northwestern Polytechnic University， Xian 710072， China）

Abstract： The control method of taking accounting of mechanical transmission and damping is researched on the basis of the characteristics of variable speed variable pitch wind turbines， the wind turbine semi?physical simulation platform， and the established model of wind speed and different operating regions of wind turbines. The experiment verification of the method was conducted. The results showed that the experiment of real physical platform can reflect the mechanical properties of the wind turbines better， and the established PID control method is relatively close to the control characteristics of real wind turbines.

Keywords： wind turbine； wind speed model； semi?physical simulation platform； PID control

0 引 言

近年來，隨著風(fēng)電市場的擴大和變速變槳風(fēng)力機的發(fā)展，風(fēng)力機控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)越來越重要。但是，由于風(fēng)力機工作的風(fēng)速具有隨機性、間歇性特點，加上能量傳遞鏈的柔性結(jié)構(gòu)及隨轉(zhuǎn)速變化的機械阻尼的影響，風(fēng)力機的控制成為一個難題。在真實風(fēng)力機上進行控制研究，因工作量大、風(fēng)速不穩(wěn)及較難對外界影響因素進行控制，難以實現(xiàn)。文獻[1]建立了風(fēng)速的四分量時域模型，在不同的風(fēng)速下對風(fēng)力機性能進行了仿真分析。文獻[2]采用PD方法對風(fēng)力機組進行控制仿真研究。上述研究均建立在Matlab/Simulink仿真的基礎(chǔ)上，與真實風(fēng)力機控制有一定差距，不能很好地體現(xiàn)出風(fēng)力機的機械特性。因此，本文研究了基于風(fēng)力機半物理仿真平臺，考慮機械特性的PID控制方法，并進行了實驗驗證。

1 風(fēng)速模型

在風(fēng)力機控制研究中，首要任務(wù)是建立合適的風(fēng)速模型。風(fēng)速模型的選用直接影響到整個風(fēng)力機性能的檢測。好的模型，能反映自然風(fēng)的隨機性及間歇性的特點。文獻[3]闡述了組合風(fēng)速模型。該模型計算簡單，容易實現(xiàn)，且能較好的反應(yīng)自然風(fēng)的主要特征。模型分為4個部分：基本風(fēng)速，反映風(fēng)場平均風(fēng)速的變化；陣風(fēng)，反映風(fēng)速突然變化的特性；漸變風(fēng)，反映風(fēng)速的漸變變化特性；噪聲風(fēng)，反映風(fēng)速在相對某高度上的隨機變化特性。

使用Matlab/Simulink建立組合風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型，得到風(fēng)速的曲線如圖1所示。

圖1 模擬風(fēng)速曲線

2 控制方法

2.1 風(fēng)電機組的運行區(qū)域

實際運行中的風(fēng)力發(fā)電機可以劃分為以下幾個階段[4]：

（1） 啟動區(qū)。風(fēng)速在切入風(fēng)速以下時，發(fā)電機與電網(wǎng)相脫離，發(fā)電機不發(fā)電，機組只在風(fēng)力作用下做機械轉(zhuǎn)動。風(fēng)速達到切入風(fēng)速，一般為3～3.5 m/s左右，持續(xù)5～10 min左右，風(fēng)力機啟動，發(fā)電機并入電網(wǎng)。

（2） [Cp]恒定區(qū)。發(fā)電機并入電網(wǎng)，風(fēng)速在額定風(fēng)速以下的區(qū)域。風(fēng)力機開始發(fā)電。根據(jù)風(fēng)速，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，機組始終保持在最佳葉尖速比[（Cp]恒定），最大限度捕獲風(fēng)能。

（3） 轉(zhuǎn)速恒定區(qū)。由于風(fēng)速的持續(xù)增大，發(fā)電機轉(zhuǎn)速增加到機組允許的最大轉(zhuǎn)速。保持這一轉(zhuǎn)速不變，隨著風(fēng)速的持續(xù)增大，葉尖速比[λ]略有減小，風(fēng)能利用系數(shù)[Cp]也減小，但是機組的功率仍在增大。

（4） 功率恒定區(qū)。隨著機組功率的持續(xù)增大，發(fā)電機及變流器達到功率極限。機組控制槳葉開始變槳，[Cp]進一步變小，從而維持整個機組的功率恒定。

2.2 控制方法設(shè)計

本文實驗基于風(fēng)力機半物理仿真平臺，分為風(fēng)輪模擬轉(zhuǎn)矩輸入模塊及模擬風(fēng)力機控制模塊，兩個模塊配合同時進行。

2.2.1 風(fēng)力機半物理仿真平臺

如圖2所示，實驗用風(fēng)力機半物理仿真平臺主要包括三個部分：

（1） 計算機模擬系統(tǒng)。主要是將風(fēng)力機的建模參數(shù)、模擬風(fēng)速、葉片參數(shù)、變槳角度及主軸實測轉(zhuǎn)速等輸入到風(fēng)輪輸入模擬程序中，從而得到相應(yīng)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩。

（2） 風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩模擬系統(tǒng)。根據(jù)計算得到的風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩對驅(qū)動電機部分進行直接轉(zhuǎn)矩控制，通過減速機，對模擬風(fēng)力機系統(tǒng)部分提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。

（3） 模擬風(fēng)力機控制系統(tǒng)。主要根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，基于某種控制策略，得到相應(yīng)的發(fā)電機控制轉(zhuǎn)矩，從而對發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩進行控制，達到風(fēng)力機最大功率的風(fēng)能捕獲。

2.2.2 風(fēng)輪模擬轉(zhuǎn)矩輸入模塊

風(fēng)力機風(fēng)輪從風(fēng)中獲得的轉(zhuǎn)矩為[5]：

[TT=12CTλ，βρπv2R3] （1）

式中：[TT]為風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，單位：N·m；[CT]為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；[λ=RΩv，]為葉尖速比；[β]為風(fēng)力機槳距角，單位：（°）；[ρ]為空氣密度，單位：kg/m3；[v]為風(fēng)速，單位：m/s；[R]為葉片半徑，單位：m；

轉(zhuǎn)矩系數(shù)[CT，]可由式[CT=Cpλ]計算得到。其中，[Cp]為風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，與葉尖速比[λ、]槳距角[β]成非線性關(guān)系[6]：

[Cpλ，β=0.22116λi-0.4β-5e-12.5λi] （2）

[1λi=1λ+0.08β-0.035β3+1] （3）

圖2 風(fēng)力機半物理仿真平臺

根據(jù)文獻[7]，風(fēng)力機風(fēng)輪從空氣中獲得的轉(zhuǎn)矩，可用多項式進行擬合。本文以某型風(fēng)力機為原型，經(jīng)比較，6次多項式擬合函數(shù)誤差較小，可以滿足仿真模擬需求。

[CTλ=a0+i=16aiλi] （4）

式中：[a0，][a1，]…，[a6]為多項式系數(shù)。擬合曲線如圖3所示，多項式系數(shù)見表1。

圖3 某型風(fēng)力機力矩系數(shù)擬合曲線

當(dāng)風(fēng)速位于啟動區(qū)轉(zhuǎn)速恒定區(qū)之間時（3～11.14 m/s），葉尖速比始終保持設(shè)計葉尖速比[λD；]當(dāng)風(fēng)速位于轉(zhuǎn)速恒定區(qū)與功率恒定區(qū)之間時（11.14～12 m/s），轉(zhuǎn)速不變，葉尖速比隨著風(fēng)速而變化。由式（4）計算可得啟動區(qū)到功率恒定區(qū)之間的理論轉(zhuǎn)矩。當(dāng)風(fēng)速處于功率恒定區(qū)（12～25 m/s），由于研究用的半物理平臺沒有變槳模塊，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩設(shè)定為理論最大值保持不變，為理想值，與真實情況有所差異。最后，上位機通過RS 232串口，將計算得到的理論轉(zhuǎn)矩，傳送給變頻器作為給定值，變頻器的內(nèi)部處理器通過矢量控制算法進行處理，提供給異步電動機電源信號，使電動機按照指定方式提供轉(zhuǎn)矩[8]。

2.2.3 風(fēng)力機控制模塊

風(fēng)力機工作在[Cp]恒定區(qū)，載荷通常比較小，可以通過控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，進而控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使風(fēng)力機始終工作在最佳葉尖速比，從而實現(xiàn)最大功率的風(fēng)能捕獲。廣泛采用的一種控制率為[T=Kω2，]其中[T]為發(fā)電機轉(zhuǎn)矩控制值；[K]為常數(shù)，可以通過風(fēng)力機工作在設(shè)計葉尖速比獲得；[ω]為發(fā)電機轉(zhuǎn)速[9]。風(fēng)力機工作在轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持不變。風(fēng)力機工作在功率恒定區(qū)，變槳機構(gòu)開始工作，發(fā)電機轉(zhuǎn)速始終保持在額定轉(zhuǎn)速附近。

發(fā)電機轉(zhuǎn)速PID控制器框圖[10]，如圖4所示。

圖4 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制器框圖

PID控制器使用增量式的PID控制方法，相比于位置式PID，具有計算量小、不容易累計誤差、易于實現(xiàn)手動到自動的無擾動切換等特點，予以采用。由于實驗用的半物理仿真平臺沒有變槳機構(gòu)，當(dāng)風(fēng)力機從轉(zhuǎn)速恒定區(qū)過渡到功率恒定區(qū)，發(fā)電機轉(zhuǎn)速始終保持不變，為理論設(shè)計值。實際中，根據(jù)采用不同的變槳控制策略，發(fā)電機轉(zhuǎn)速會有所變化。

3 實驗驗證

本文研究的主要內(nèi)容是，通過風(fēng)力機半物理仿真平臺上的PID控制，模擬某型風(fēng)力機PID控制的可能性。某型風(fēng)力機的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

在PID控制中，使用的采樣周期為2 s，控制周期為0.5 s，也就是每2 s采集一次風(fēng)速并進行4次PID控制。這樣做的目的是盡量在模擬真實風(fēng)力機控制的前提下，防止搭建的仿真平臺操作頻繁，出現(xiàn)沖擊，從而毀壞設(shè)備。采用圖1的模擬風(fēng)速曲線，實驗結(jié)果如圖5～圖9所示。

圖5 風(fēng)力機輸入扭矩曲線

圖6 發(fā)電機轉(zhuǎn)速設(shè)定曲線

圖7 發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速曲線

由上述的數(shù)據(jù)以及仿真曲線，可知：

（1） 通過PID控制，低風(fēng)速情況下，風(fēng)力機葉尖速比始終持在最大葉尖速比附近。高風(fēng)速情況下，風(fēng)力機通過變槳以及減小葉尖速比，保持了功率的基本恒定。從而保證了風(fēng)力機最大功率的風(fēng)能捕獲。

圖8 風(fēng)力機輸出功率曲線

圖9 風(fēng)力機輸出轉(zhuǎn)矩曲線

（2） 由于風(fēng)力機的功率及風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩與風(fēng)速的立方，平方成正比。所以在風(fēng)速出現(xiàn)擾動的情況下，風(fēng)機也會出現(xiàn)較大擾動。

（3） 圖5及圖7的0～250 s時間內(nèi)，輸入的轉(zhuǎn)矩以及發(fā)電機的轉(zhuǎn)速都需要從0調(diào)節(jié)到一個固定的值，在風(fēng)速大于切入風(fēng)速以后再重新調(diào)節(jié)。是因為搭建的風(fēng)力機仿真模擬平臺，啟動的時候，電動機部分需要給定一個較小的轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機部分需要給定一個較小的轉(zhuǎn)速。不然平臺由于機械故障，會出現(xiàn)強烈的振動，從而影響實驗的進行。實際中的風(fēng)力機切入風(fēng)速以下的時候，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩以及發(fā)電機轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速變化，發(fā)電機不接入電網(wǎng)。

（4） 圖6及圖7為仿真過程中發(fā)電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定值與實際值。除0～250 s發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速從0到達一定的設(shè)定值，其他時間內(nèi)設(shè)定值與實際值非常接近，誤差控制在很小的范圍，證明所采用的PID轉(zhuǎn)速控制方法有效。

（5） 風(fēng)機發(fā)電機部分轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的擾動較大，是因為在真實的風(fēng)力機中，始終存在機械故障，如不對中、齒輪箱問題等，從而影響到發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩。

4 結(jié) 論

本文針對變速變槳風(fēng)力機的特點，研究了考慮風(fēng)力機機械特性的PID控制方法，并進行了實驗驗證，得出如下結(jié)論：

（1） 真實的物理平臺實驗與Matlab/Simulink仿真實驗存在著一定的差異性，由于物理仿真平臺的機械特性，仿真過程中往往需要根據(jù)實際情況，完善控制策略，即風(fēng)力機控制策略中必須考慮機械特性。

（2） PID控制方法具有易于實現(xiàn)、可靠性高及適應(yīng)性強等特點。通過實驗驗證可以看出，其具有良好的控制效果。本文的實驗結(jié)果給風(fēng)力機的PID控制提供了參考。

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本文針對變速變槳風(fēng)力機的特點，研究了考慮風(fēng)力機機械特性的PID控制方法，并進行了實驗驗證，得出如下結(jié)論：

（1） 真實的物理平臺實驗與Matlab/Simulink仿真實驗存在著一定的差異性，由于物理仿真平臺的機械特性，仿真過程中往往需要根據(jù)實際情況，完善控制策略，即風(fēng)力機控制策略中必須考慮機械特性。

（2） PID控制方法具有易于實現(xiàn)、可靠性高及適應(yīng)性強等特點。通過實驗驗證可以看出，其具有良好的控制效果。本文的實驗結(jié)果給風(fēng)力機的PID控制提供了參考。

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本文針對變速變槳風(fēng)力機的特點，研究了考慮風(fēng)力機機械特性的PID控制方法，并進行了實驗驗證，得出如下結(jié)論：

（1） 真實的物理平臺實驗與Matlab/Simulink仿真實驗存在著一定的差異性，由于物理仿真平臺的機械特性，仿真過程中往往需要根據(jù)實際情況，完善控制策略，即風(fēng)力機控制策略中必須考慮機械特性。

（2） PID控制方法具有易于實現(xiàn)、可靠性高及適應(yīng)性強等特點。通過實驗驗證可以看出，其具有良好的控制效果。本文的實驗結(jié)果給風(fēng)力機的PID控制提供了參考。

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