小型風力發(fā)電機的限速控制研究

2016-10-13 01:14:59許昌學院電氣信息工程學院李躍磊

電子世界 2016年17期

許昌學院電氣信息工程學院李躍磊

小型風力發(fā)電機的限速控制研究

許昌學院電氣信息工程學院李躍磊

本文從變槳距風力機的空氣動力學理論入手，運用對空氣動力學分析求得貝茲理論的極限值，通過風能的利用系數(shù)及葉尖速比之間的關(guān)系，從而得出風力發(fā)電的系統(tǒng)變槳距控制方法，最后對變槳距的運行狀態(tài)進行仿真及變槳調(diào)節(jié)加以分析，驗證了此模型的可靠性。

空氣動力學；PID控制；雙饋發(fā)電機；變槳調(diào)節(jié)

1.引言

隨著國家對風力發(fā)電機的重視以及發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，高新技術(shù)不斷運用到風力發(fā)電之中，使得風力發(fā)電的性能得到了很大的提升。風力發(fā)電機有效利用了可再生能源，而中國是世界上風能資源現(xiàn)存比較豐富的國家之一，更需要開發(fā)風電技術(shù)。風力發(fā)電也能很大程度上減緩我國電力欠缺以及能源的急需，中小型風力發(fā)電機的控制比較靈活，對中小型風力電機組特性加以研究，同時控制技術(shù)應(yīng)用運用風力發(fā)電當中可以提高中小型風機的利用率和可靠性，因此對其研究具有重大的意義。

2.風力機變槳距控制

多變量的變槳距電機組，具有復雜的非線性特性。要想更好的利用PID控制，就需要對其進行數(shù)學建模。通過PID參數(shù)的整定，使線性系統(tǒng)控制的精確性得到提升，而風電系統(tǒng)是利用風能轉(zhuǎn)化為機機械能的裝置，在風能系統(tǒng)中它的控制是比較復雜的。在風電機組中，如果齒面的硬度較高，則在正常使用時不會帶來太大的損失，在這種的情況下，系統(tǒng)的空氣動力學模型可表述為：

式中：P為風輪吸收功率；ω為風輪旋轉(zhuǎn)的角速度； c為風能的利用系數(shù)；ρ為空氣的密度；r為風輪的半徑；v為上風向的風速。

系統(tǒng)變槳距執(zhí)行機構(gòu)：

其中：Tβ—變槳距執(zhí)行機構(gòu)時間常數(shù)值；β—槳距角的實際值；βr—槳距角參訂值。

2.1變速變槳距控制系統(tǒng)策略

對于各式各樣的電機組來說，在變速變槳距模型上增加變槳距執(zhí)行機構(gòu)后，對它的控制就很難來估計，這樣要想對變槳控制的精確度的提升，就必須添加另外兩個控制機構(gòu)控制器和對輸出功率控制的控制器。

（1）主控制器在控制系統(tǒng)中占有主要部分，它不但對風機進行控制，而且也控制功率控制器，然后對變槳距控制器進行調(diào)整，從而使風機進行穩(wěn)定運行。

（2）當風速達到額定功率時，改變變速恒頻控制對齒輪箱進行控制，間接的控制槳葉轉(zhuǎn)動，使風輪在良好的尖速比下運行；功率控制器控制變流器，這樣就可以使功率穩(wěn)定的輸出。

（3）若風速高于額定的輸出值時，通過改變槳距調(diào)節(jié)器的值控制電機轉(zhuǎn)速，使電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)CP值，達到使空氣流動時的動能能更多的被風力機轉(zhuǎn)化；當風速增加甚至大于到額定風速的值以后，此時經(jīng)由增加β值，使CP的值下降，從而減少發(fā)電機的輸出能量。

2.2統(tǒng)一變槳距控制策略

統(tǒng)一變槳距就是改變風力機整個的風力機葉片的節(jié)距角β，也同時使其改變統(tǒng)一的角度。一般情況下依據(jù)輸出功率和風速作為控制量給槳距角指令，傳統(tǒng)的風力發(fā)電變槳距控制框圖如1圖所示。其中，速度控制器的作用是風力機組的起動階段和風速不高于額定風速的欠功率階段時來控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速，由控制欠功率階段的轉(zhuǎn)速來保持葉尖速比使其運行在最好狀態(tài)。而變槳距控制主要的是發(fā)生在風速大于額定后，這時風電機組將進入額定運行狀態(tài)。將給定值和功率反饋信號加以比對，若是功率大于額定功率時，槳葉節(jié)距角就會提高，反之則下降。

圖1 變槳距風力電機的控制圖

3.變槳距執(zhí)行機構(gòu)

3.1風力發(fā)電機變槳控制

在風力發(fā)電機的變槳距控制系統(tǒng)中，其對槳葉節(jié)距角的控制具有非常關(guān)鍵的作用的是它的執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，如今主要利用的是電動和液壓執(zhí)行機構(gòu)。在這兩個執(zhí)行方式中，液壓驅(qū)動的變槳系統(tǒng)具有漏油和卡澀等一些問題，如果用電機驅(qū)動葉片旋轉(zhuǎn)帶動變槳系統(tǒng)，則每個葉片的單獨控制就很容易實現(xiàn)了，然對槳葉的控制也將非常容易實現(xiàn)。電動變槳距控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 電動變槳距系統(tǒng)框圖

圖2可以看出，在變槳控制系統(tǒng)圖中，電路經(jīng)過不間斷電源（UPS）作為補償點能保護，經(jīng)過UPS到達逆變器直流變?yōu)榭衫玫钠椒€(wěn)交流電，輸出功率的參考值與風速反饋值進行比較后傳送到數(shù)字信號處理器中進行信息處理，然后傳送到逆變器中重新逆變整流；永磁同步電機另一部分經(jīng)過減速器進行調(diào)節(jié)，同時調(diào)動槳距角的大小，再經(jīng)過雙饋發(fā)電機對槳距角和風速的一個測量和比較，得出反饋電流值；最后輸出的功率反饋到變槳控制器中進一步對槳距角從新的調(diào)整，接著進行數(shù)字信號處理，把合適的數(shù)據(jù)值傳輸?shù)侥孀兤髦姓{(diào)節(jié)電壓的大小，這樣迅速的對變槳控制做出精確的調(diào)整。

3.2變槳距電動執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)的控制

電動變槳距控制就是伺服電機的位置控制，根據(jù)永磁同步電機在一定坐標系下各個量的關(guān)系方式列出其模型，接著對其進行控制。控制原理如圖3所示。

其中，位置參考值是由控制器所決定的，位置參考值與光電編碼器所測的位置反饋值對比，所得的差值傳送給位置調(diào)節(jié)器進行PI控制調(diào)節(jié)。把位置檢測到的參考值與轉(zhuǎn)子反饋電流值的變化量送給電流調(diào)節(jié)器，同時比例積分進行調(diào)節(jié)，其結(jié)果就是轉(zhuǎn)矩電流給定值，對轉(zhuǎn)矩要想實現(xiàn)更好的控制作用，還必須經(jīng)由空間矢量控制使得出磁通的空間位置與電流矢量的方向成90°；再調(diào)節(jié)器和電流的調(diào)節(jié)下的結(jié)合下動態(tài)響應(yīng)更加迅速。