變速風力發電機組的變槳控制及載荷優化

薛藻芹

摘 要 本文結合實際案例，從如何選擇抑制變速風力變化給電機組造成信后滯后影響等信息，能夠利用有效的信息將整個風力發電機組的輸出功率及相關的額定風速進行有效的限制，進而實現整個變速風力發電的實際荷載控制技術問題。本文研究了傳統變槳控制技術，并按照相關的技術原理對整個反饋信號及相關信息進行有效分析，從而實現降低風電機組承受荷載能力及其相關性。

關鍵詞 變速風力發電機組 變槳控制 荷載優化

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A

0引言

現階段，對于整個變速風電發電機組來說，其主要的應用環節及其變槳控制的相關性是整個變速風力發電機組進行有效變化及控制的主要操作過程。在變速風力發電機組進行控制時可以采用相關的控制器進行有效的控制，從而實現將風速范圍進行有效的設定，調節風速的最大化影響，進而實現整個風速變化的隨機性。但是由于風速的變化會引起整個風電機組承受何在的最大優化。當風力在不斷變化時，將會引起整個轉速的大幅下降，引起整個轉速的變化，從而造成功率的大幅波動，影響了輸出功率。針對變槳控制所產生的一系列問題，因此在整個降低發電機轉矩波動的過程中需要結合相應的功率恒定，最后在MATLAB環境下進行仿真研究，驗證相關的控制策略的可行性和有效性。

1風力機變槳控制理論

1.1風力機氣動特性分析

由氣動力學分析知，風力發電機從風能捕獲到氣動功率中，整個氣動功率中及相關的風能利用系數相比較。當保持相應的槳角 不變的情況下，會使得整個最大風能系數的最佳尖速比進行有效的分析。對于確定的尖速比 ，風能利用系數在槳距角 = 0笆畢嘍宰畬螅？且隨著槳距角 增大，風能利用系數明顯減小。因此在風速高于額定風速時，可通過調節風力機槳距角從而改變發電機輸出功率，使其穩定在額定功率附近。

風輪轉速或風速改變將引起葉尖速比變化，影響風能利用系數從而改變風輪捕獲的機械功率，從而使得整個機電發電機進行相應的關系。

1.2風力機變槳控制

風力機變槳的控制距離參考值及相關的電機轉速作為控制槳的距離進行有效的分析，進而實現整個發電機組的相關性，發電機轉速反饋信號及相關的誤差進行有效的分析，實現誤差作為PID控制器的輸入性質，從而使得整個控制器進行槳距離的變化性。相應的槳距離角的參考值，及相應的變化性存在一定的分析性原因，它通過變槳控制器與相應的 角與實際的槳距離角成為一定的參考值，所以對于整個變槳執行力來說具有一定的改變性，影響了整個將槳距角的參考值。

2基于風擾動的前饋補償控制器

基于以上分析可知，傳統 PI 控制中固定增益不能滿足在大范圍風速變化下的轉速控制。對于風速的突變，變槳控制器的相應速度不夠迅速，控制功率輸出效果并不理想。所以此次采用基于風擾動的前饋補償控制對采用傳統 PID 控制得到的參考槳距角進行在線補償修正。在額定風速以上，根據風速實時變化量 計算出適配的槳距角修正量，與 PID 控制器輸出的槳距角相加，整體作為槳距角的設定值。

風力發電系統在風速發生突變時，槳距角變化響應速度慢于風速的變化，可以參照上式槳距角與風速的關系，根據風速的變化量給出合適的槳距角修正量。通過計算得到控制增益 k。當風速高于額定風速，突變增大時，通過前饋補償控制得到槳距角補償量 ，此時槳距角參考值： * ref = ref + 。槳距角的增大允許槳葉執行機構提前動作，減少風輪吸收的風能，使風機以稍低于電機額定轉速的速度達到額定轉矩，以防止功率超過額定值。當風速突降時，此時槳距角參考值： * ref = ref - 。由此可知，此時風能利用系數增大，增加了風能吸收，減緩了由于風速突然下降引起的輸出轉矩突降，減少功率波動，使其維持額定值附近，同時減少了槳葉擺振載荷。從整個風力發電的過程中及相關的變化性分析可以看出，發電機組的變槳控制機相關的荷載變化具有一定的變化，相應的變化性及結果性可以進行相應的分析，使得整個PID的控制器與相關的槳距角具有一定的變化性，設定值與相關的已知數據之間的關系具有一定的分析性，其額定風速的變化與相關的風力發電機組的運行的穩定性具有一定的作用，此時可以通過得到相關的風力機發電穩定情況及相應的槳距角的增值量進行相應的分析，使得整個風速增量存在一定的關系。

3變槳距仿真結果與分析

風力發電的變化主要與其相關的參數具有一定的關系，額定功率為2MW，且額定風速為12m/s，空氣密度大小為1.225kg/m3，葉輪的半徑與相應的風輪的轉動與相應的轉動慣性具有一定的相關性，使得整個發電機慣量為20kg/m2，在相應的實際仿真的環境中，采用傳統的PI變槳距離與相關的風擾動速率與相關的前饋補償系統進行相應的分析，實現整個仿真環境下的風力機系統仿真結果具有一定的相關性。可以看出，通過前饋補償控制，發電機轉速波動明顯減小，并且能夠更快發電機轉速的跟蹤額定轉速。槳距的響應速度也有所提高，變化更加平滑，從而減少了槳距角頻繁動階躍風下槳距角變化作而引起的疲勞載荷。當 風速隨機變化時，通過前饋補償，發電機轉速振隨機風動波動明顯減小，發電機輸出功率比較平滑，能夠很好地穩定在額定范圍內。

4結束語

通過對兩種變槳距控制方法進行仿真對比研究，仿真結果表明： 對于隨機不穩定變化的風的影響，采用前饋補償變槳距控制策略的風力機葉片所受的擺振載荷與疲勞損傷要小于采用傳統變槳距控制策略的風力機。并且采用前饋補償變槳距控制能夠顯著地減小了風力發電機轉速的波動，有效抑制了傳動鏈扭轉載荷振動，減小機組的疲勞載荷損害，延長了整個機組的使用壽命。

參考文獻

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