基于CodeSys 風(fēng)電機組變槳距控制策略研究

陸國君，王贇

(1.德國倍福自動化有限公司，上海 200436；2.中國船舶重工集團公司武漢凌久電氣有限公司，武漢 430074)

0 引言

變速變槳距控制系統(tǒng)是構(gòu)成風(fēng)電機組的重要組成部分，近年來風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，直接帶動了該系統(tǒng)的研究和開發(fā)，該系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣主要由所采用的控制策略是否適合與被控對象所決定。目前，實際工程中常采用常規(guī)的PI控制器控制輸出槳距角，該控制器易實現(xiàn)，但有可能出現(xiàn)大超調(diào)現(xiàn)象，風(fēng)電機組作為一種復(fù)雜的多變量非線性系統(tǒng)，如僅采用單一的控制很難得到滿意的控制效果[1]。所以采用更適合機組的控制器對減小機組載荷、避免機械共振、最大限度的捕獲風(fēng)能及為電網(wǎng)提供良好的電能質(zhì)量等方面起到了至關(guān)重要的作用。

1 變槳距控制器設(shè)計及建模

1.1 PID控制器

本文介紹的控制算法都基于傳統(tǒng)的不完全微分PID控制算法，其特點是不但能抑制高頻干擾，還克服了普通數(shù)字PID控制器的缺點，將數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出的微分作用能在每個運算周期里按偏差均勻的輸出變化趨勢，起到了真正微分的作用[2]。不完全微分PID控制算法為：

式（1）中，KP為比例增益；Tn為積分時間常數(shù)；Tv為微分時間常數(shù)； Td為濾波器系數(shù)。控制器框圖如圖1所示。

比例環(huán)節(jié)P：比例控制是一種簡單的控制方式，控制器的輸入與輸出誤差信號成比例關(guān)系。

積分環(huán)節(jié)I：控制器的輸出與輸入誤差信號成積分關(guān)系。在控制系統(tǒng)中，如果進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則需要引入積分項。積分項主要取決于誤差對時間的積分，隨時間的增大，積分項也增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間增大而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步縮小，直到為零。因此，比例+積分的PI控制器能使系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后減少穩(wěn)態(tài)誤差，這也是變槳距控制中常用的控制策略。

微分環(huán)節(jié)D：控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（誤差的變化率）成正比關(guān)系。通常，控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)震蕩或失穩(wěn)。其原因是由于存在較大慣性環(huán)節(jié)或者滯后環(huán)節(jié)。控制器中加入微分項，能預(yù)測誤差變化的趨勢，比例+微分的PD控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性[3]。

1.2 傳統(tǒng)變槳距控制算法

傳統(tǒng)風(fēng)電機組的槳距角控制主要采用的是PI的控制策略，PI控制器具有數(shù)學(xué)模型簡單，容易控制，響應(yīng)迅速等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中使用非常廣泛，其控制器模型如圖2所示，使用轉(zhuǎn)速信號作為控制信號，信號輸入后，先使用轉(zhuǎn)速偏差陷波濾波器，濾除特定頻率的轉(zhuǎn)速干擾信號[4]。隨即使用PI控制器進行控制，由于槳距角的變化對于風(fēng)速而言是非線性的，如在額定風(fēng)速附近，較小的風(fēng)速變化需要槳距角給定一個大變化才能使輸出穩(wěn)定，因此在額定風(fēng)速附近需要增大增益，針對此問題，一般整機廠家會設(shè)計多套PI參數(shù)供機組在不同運行狀態(tài)時使用來[5]。

該PI控制器的不足是超調(diào)相對較大，調(diào)節(jié)過快，容易引起機組的振蕩，槳距角的控制曲線較陡峭，易引起變槳距控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)機械疲勞，轉(zhuǎn)速低時容易引起轉(zhuǎn)速振蕩，導(dǎo)致機組失去平衡，減少機組運行壽命。

1.3 優(yōu)化后的變槳距控制算法

經(jīng)過優(yōu)化后的算法由兩個PD控制器和一個P控制器構(gòu)成，分別對發(fā)電機轉(zhuǎn)速、槳距角及加速度進行控制。通過一定條件及運行狀態(tài)的選擇，有條件的使用這三個控制器作為輸出，最終以槳距角形式發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)。

槳距角控制：一般在并網(wǎng)前，機組處于起機或自檢狀態(tài)時選用此控制器，因為此時發(fā)電機轉(zhuǎn)速相對較低，還未穩(wěn)定運行，程序內(nèi)部反饋的發(fā)電機轉(zhuǎn)速可能存在一定偏差，所以選用當(dāng)前的槳距角作為控制變量能起到比較好的控制精度。再將輸出的角度值經(jīng)過低通濾波器，用于濾除高頻角度干擾信號，并通過一定的數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)換輸出槳距角，該控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制：當(dāng)機組穩(wěn)定運行后，在額定風(fēng)速附近，大部分時間的控制皆使用此控制器。使用發(fā)電機轉(zhuǎn)速作為控制變量，在信號輸入端使用低通濾波器，濾除瞬時的轉(zhuǎn)速變化。PD控制器輸出后再使用PT1低通濾波器使輸出轉(zhuǎn)速信號更為平滑。再通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將當(dāng)前的轉(zhuǎn)速輸出轉(zhuǎn)化為槳距角。控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

發(fā)電機轉(zhuǎn)速加速度控制：控制中實時將轉(zhuǎn)速的加速度和轉(zhuǎn)速控制器輸出進行比較，當(dāng)加速度大于額定值時，即轉(zhuǎn)速偏差過大，則開始啟用此加速度控制器進行調(diào)節(jié)。加速度控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖1 PID控制器

圖2 PI轉(zhuǎn)速控制器

圖3 槳距角控制器

圖4 發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制器

圖5 加速度控制器

使用此控制器主要在發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏差過大或在啟動階段中需要快速度過機械共振區(qū)時起到了重要的作用，實現(xiàn)了對功率最大化及避免長期振動給機組帶來的機械疲勞損傷。

2 變槳距控制模型的數(shù)據(jù)仿真與分析

本文研究的被控對象為1.5MW三葉片雙饋變速恒頻風(fēng)電機組。采用基于PC的嵌入式控制器作為硬件，結(jié)合實際風(fēng)電機組控制程序?qū)嘟堑妮敵鲞M行比較，使用基于CodeSys V2版本的軟件平臺進行仿真及分析。被控對象的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

使用風(fēng)速仿真程序?qū)︼L(fēng)速進行模擬，在高于額定風(fēng)速的情況下觀察機組的啟動過程，使用本文介紹的2種不同的控制器對輸出槳距角進行觀察，如圖6所示。

由圖6可以看出，使用優(yōu)化后的控制算法能夠更平滑的處理槳距角的輸出，以避免振蕩給機組造成不必要的機械損傷。相比之下，傳統(tǒng)控制算法在0度附近時調(diào)節(jié)過快，易引起機組的振蕩，且控制曲線跟陡峭，易導(dǎo)致變槳執(zhí)行機構(gòu)疲勞運行。

3 結(jié)語

優(yōu)化過的PD控制與傳統(tǒng)的PI控制相比。優(yōu)化后的PD控制器能讓機組更平滑過渡運行，該控制器具有動態(tài)響應(yīng)性好，適應(yīng)性強，控制精度高等特點，有效減小風(fēng)電機組在起機時的震蕩，使響應(yīng)曲線更平滑，且具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性。

表1 風(fēng)電機組的主要技術(shù)參數(shù)

圖6 槳距角仿真響應(yīng)曲線

[1]王惠斌,徐建軍,代文燦. 基于PID控制器的兆瓦級變槳距風(fēng)力發(fā)電機組控制策略的研究[J]. 電氣開關(guān), 2009,3 :56.

[2]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[3]鄭波. 風(fēng)力發(fā)電機變槳距系統(tǒng)研究[D].華北電力大學(xué),2011.

[4]張慶利. 兆瓦級變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組電氣控制系統(tǒng)的研發(fā)[D]. 哈爾濱理工大學(xué),2007.

[5]林勇剛,李偉,葉杭冶,邱秀敏,金波,劉湘琪. 變速恒頻風(fēng)力機組變槳距控制系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2004,35(4) :111-112.