基于半物理仿真平臺的風力機PID控制研究

賀少華+廖明夫+王四季+劉永偉+李浩

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

關鍵詞： 風力發電機組； 風速模型； 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，隨著風電市場的擴大和變速變槳風力機的發展，風力機控制系統的設計開發越來越重要。但是，由于風力機工作的風速具有隨機性、間歇性特點，加上能量傳遞鏈的柔性結構及隨轉速變化的機械阻尼的影響，風力機的控制成為一個難題。在真實風力機上進行控制研究，因工作量大、風速不穩及較難對外界影響因素進行控制，難以實現。文獻[1]建立了風速的四分量時域模型，在不同的風速下對風力機性能進行了仿真分析。文獻[2]采用PD方法對風力機組進行控制仿真研究。上述研究均建立在Matlab/Simulink仿真的基礎上，與真實風力機控制有一定差距，不能很好地體現出風力機的機械特性。因此，本文研究了基于風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 風速模型

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

使用Matlab/Simulink建立組合風速的數學模型，得到風速的曲線如圖1所示。

圖1 模擬風速曲線

2 控制方法

2.1 風電機組的運行區域

實際運行中的風力發電機可以劃分為以下幾個階段[4]：

（1） 啟動區。風速在切入風速以下時，發電機與電網相脫離，發電機不發電，機組只在風力作用下做機械轉動。風速達到切入風速，一般為3～3.5 m/s左右，持續5～10 min左右，風力機啟動，發電機并入電網。

（2） [Cp]恒定區。發電機并入電網，風速在額定風速以下的區域。風力機開始發電。根據風速，發電機的轉速發生變化，機組始終保持在最佳葉尖速比[（Cp]恒定），最大限度捕獲風能。

（3） 轉速恒定區。由于風速的持續增大，發電機轉速增加到機組允許的最大轉速。保持這一轉速不變，隨著風速的持續增大，葉尖速比[λ]略有減小，風能利用系數[Cp]也減小，但是機組的功率仍在增大。

（4） 功率恒定區。隨著機組功率的持續增大，發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 控制方法設計

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

2.2.1 風力機半物理仿真平臺

如圖2所示，實驗用風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。主要是將風力機的建模參數、模擬風速、葉片參數、變槳角度及主軸實測轉速等輸入到風輪輸入模擬程序中，從而得到相應的風輪轉矩。

（2） 風輪轉矩模擬系統。根據計算得到的風輪轉矩對驅動電機部分進行直接轉矩控制，通過減速機，對模擬風力機系統部分提供相應的轉矩。

（3） 模擬風力機控制系統。主要根據發電機轉速，基于某種控制策略，得到相應的發電機控制轉矩，從而對發電機的轉矩進行控制，達到風力機最大功率的風能捕獲。

2.2.2 風輪模擬轉矩輸入模塊

風力機風輪從風中獲得的轉矩為[5]：

[TT=12CTλ，βρπv2R3] （1）

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

轉矩系數[CT，]可由式[CT=Cpλ]計算得到。其中，[Cp]為風能轉換效率系數，與葉尖速比[λ、]槳距角[β]成非線性關系[6]：

[Cpλ，β=0.22116λi-0.4β-5e-12.5λi] （2）

[1λi=1λ+0.08β-0.035β3+1] （3）

圖2 風力機半物理仿真平臺

根據文獻[7]，風力機風輪從空氣中獲得的轉矩，可用多項式進行擬合。本文以某型風力機為原型，經比較，6次多項式擬合函數誤差較小，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。擬合曲線如圖3所示，多項式系數見表1。

圖3 某型風力機力矩系數擬合曲線

當風速位于啟動區轉速恒定區之間時（3～11.14 m/s），葉尖速比始終保持設計葉尖速比[λD；]當風速位于轉速恒定區與功率恒定區之間時（11.14～12 m/s），轉速不變，葉尖速比隨著風速而變化。由式（4）計算可得啟動區到功率恒定區之間的理論轉矩。當風速處于功率恒定區（12～25 m/s），由于研究用的半物理平臺沒有變槳模塊，風輪轉矩設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矩，傳送給變頻器作為給定值，變頻器的內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矩[8]。

2.2.3 風力機控制模塊

風力機工作在[Cp]恒定區，載荷通常比較小，可以通過控制器調節發電機轉速，進而控制風輪轉速，使風力機始終工作在最佳葉尖速比，從而實現最大功率的風能捕獲。廣泛采用的一種控制率為[T=Kω2，]其中[T]為發電機轉矩控制值；[K]為常數，可以通過風力機工作在設計葉尖速比獲得；[ω]為發電機轉速[9]。風力機工作在轉速恒定區，控制器調節發電機轉速保持不變。風力機工作在功率恒定區，變槳機構開始工作，發電機轉速始終保持在額定轉速附近。

發電機轉速PID控制器框圖[10]，如圖4所示。

圖4 發電機轉速控制器框圖

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，當風力機從轉速恒定區過渡到功率恒定區，發電機轉速始終保持不變，為理論設計值。實際中，根據采用不同的變槳控制策略，發電機轉速會有所變化。

3 實驗驗證

本文研究的主要內容是，通過風力機半物理仿真平臺上的PID控制，模擬某型風力機PID控制的可能性。某型風力機的相關技術參數如表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采集一次風速并進行4次PID控制。這樣做的目的是盡量在模擬真實風力機控制的前提下，防止搭建的仿真平臺操作頻繁，出現沖擊，從而毀壞設備。采用圖1的模擬風速曲線，實驗結果如圖5～圖9所示。

圖5 風力機輸入扭矩曲線

圖6 發電機轉速設定曲線

圖7 發電機實際轉速曲線

由上述的數據以及仿真曲線，可知：

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

圖8 風力機輸出功率曲線

圖9 風力機輸出轉矩曲線

（2） 由于風力機的功率及風輪轉矩與風速的立方，平方成正比。所以在風速出現擾動的情況下，風機也會出現較大擾動。

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

（4） 圖6及圖7為仿真過程中發電機轉速的設定值與實際值。除0～250 s發電機實際轉速從0到達一定的設定值，其他時間內設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轉速控制方法有效。

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

4 結 論

本文針對變速變槳風力機的特點，研究了考慮風力機機械特性的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實際情況，完善控制策略，即風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、可靠性高及適應性強等特點。通過實驗驗證可以看出，其具有良好的控制效果。本文的實驗結果給風力機的PID控制提供了參考。

參考文獻

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本文針對變速變槳風力機的特點，研究了考慮風力機機械特性的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實際情況，完善控制策略，即風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、可靠性高及適應性強等特點。通過實驗驗證可以看出，其具有良好的控制效果。本文的實驗結果給風力機的PID控制提供了參考。

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（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實際情況，完善控制策略，即風力機控制策略中必須考慮機械特性。

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