基于智能控制的直驅風電機組模擬實驗平臺及算法研究

摘?要：本文設計一套2kW直驅型風電機組模擬實驗系統，可以仿真各種風況下直驅風電機組運行特性。針對直驅風電機組，提出了基于Matlab優化的變增益變槳控制策略。算例分析表明所提控制算法能夠起到抑制轉速超調的作用。

關鍵詞：風電機組；實驗系統；變增益變槳控制

1?簡介

通過直驅機組實驗系統，不僅可以降低不成熟控制實驗安全隱患的風險，也可以解決實際風場中由于風速隨機性難以開展實驗的問題［13，5］。

2?實驗系統的結構

本文設計一套由PLC主控系統、模擬風輪系統、永磁發電機系統、操作面板系統組成的2kW直驅機組物理實驗系統。如圖1所示，操作面板系統主要進行模式切換、啟動、停機等工作。PLC主控系統主要進行智能算法運行，發出操作指令。模擬風輪系統主要接受PLC或操作面板發出的操作指令，產生響應并反饋給PLC。永磁發電機系統主要由拖動電機與永磁發電機機械組成。

3?算法設計

主程序控制流程如圖2所示，智能算法由電磁轉矩控制、槳距角控制和濾波器三部分組成。

3.1?電磁轉矩控制

直驅型發電機電磁轉矩方程［4］：

Te=32n·φPM·isq（1）

式（1）中，φPM為永磁體產生的磁鏈，isq為q軸電流，n為發電機轉子的極對數。電磁轉矩Te與q軸電流分量成正比關系。按照預先設定的工作點計算出電磁轉矩Te，再反推出isq。

如圖3所示，當機組在高于額定工作點運行，機組電磁轉矩Te維持在額定轉矩點。在額定工作點以下運行，電磁轉矩Te在線ABCD上運行［68］。

當轉速位于BC段時風電機組追蹤最佳葉尖速比λopt。

Kopt=ρπR5Cpmax2λopt3G3（2）

Topt=Koptω2（3）

式中，ω為發電機角速度；R為葉輪半徑；G為齒輪箱速比；Kopt為轉矩最佳控制系數［911］。

3.2?槳距角控制

當來流風速低于額定風速時，風電機組槳距角追蹤最優槳距角；高于額定風速時，通過變增益PI控制使控制器參數追蹤槳距角［912］。

PI變換傳遞函數：

Cs=β（s）ωerr（s）=Kp2+Ki2s（4）

式中，Kp2和Ki2為PI系數。

直驅式風電機組模型的SYSTURB結構通過Bladed中的線性化處理得到，以下方程系數矩陣即為該結構的A、B、C、D矩陣。

x·=Ax+Bu（5）

y=Cx+Du（6）

A=x·1x1?x·1x2?…?x·1xn

x·nx1?x·nx2?…?x·nxn?B=x·1u1?x·1u2?…?x·1um

x·nu1?x·nu2?…?x·num（7）

C=y1x1?y1x2?…?y1xn

ypx1?ypx2?…?ypxnD=y1u1?y1u2?…?y1um

ypu1?ypu2?…?ypum（8）

高于額定風速時，通過計算每個風速點的參量Kp2和Ki2的最優值來實現風電機組變增益槳距角控制，保證發電機穩定輸出額定功率。

3.3?濾波器

機組轉速在運行中受風速影響隨時變化，為減少冗余動作所采用低通濾波器形式為：

11+2ξsω+s2ω2（9）

4?計算結果對比分析

4.1?正常湍流模型

正常湍流模型下，平均風速為8m/s時控制算法結果與Bladed仿真對比如圖4所示。

圖4（a）為槳距角對比，低于額定風速時，兩個仿真計算的槳距角都保持在最佳槳距角不變。

圖4（b）為發電機轉矩對比，可以看到與Bladed仿真得到的轉矩相比，所提算法算的轉矩更加平滑。因為引入濾波器減少了冗余動作。

圖4（c）為發電機轉速對比，可以看出PLC控制與Bladed仿真得到的轉速基本一致。

圖4（d）為發電量對比，可以看到控制算法仿真的發電量比Bladed仿真的發電量更加平滑。因為功率為轉速與轉矩的乘積，當轉速一致時，轉矩控制越平滑則功率控制越平滑。

4.2?極端相干陣風

風況：在5s內風速從13m/s提升到21m/s。

圖5（a）為槳距角對比，與Bladed模擬仿真的槳距角相比控制算法所得的槳距角提前變化。這是由于不同控制算法下PI增益不同。

圖5（b）為發電機轉矩對比，可以看到高于額定風速時轉矩均為額定轉矩。與圖3相一致。

圖5（c）為發電機轉速對比，與Bladed仿真結果相比控制算法計算的轉速曲線與機組額定轉速的偏差更小。說明所提變增益PI控制有效地規避了超速現象的發生。

圖5（d）為發電量對比，與Bladed仿真結果相比控制算法計算的發電量與額定功率的偏差更小。因為功率為轉速與轉矩的乘積，轉矩相同的情況下，轉速越接近額定轉速，輸出功率越接近額定功率。

5?結論

本文設計了一套2kW直驅機組實驗平臺。該平臺可以仿真模擬各種復雜風況下風電機組的運行特性；研究了最大風能追蹤控制算法和變增益變槳控制算法；通過對比所提控制算法與Bladed仿真結果，證明了所提控制策略的有效性。

參考文獻：

［1］李金鵬.基于PLC控制的風電機組物理實驗平臺研究與設計［D］.華北電力大學，2013.

［2］王維.直驅能量轉換系統實驗平臺的研究［D］.內蒙古科技大學，2015.

［3］高劍.直驅永磁風力發電機設計關鍵技術及應用研究［D］.湖南大學，2013.

［4］徐大平，柳亦兵，呂躍剛.風力發電原理［M］.機械工業出版社，2011.

［5］李丹娜.風輪輸出特性模擬實驗平臺的設計與研究［D］.沈陽工業大學，2007.

［6］葉杭冶.風力發電機組監測與控制［M］.機械工業出版社，2011.

［7］林志明，潘東浩，王貴子，等.雙饋式變速變槳風力發電機組的轉矩控制［J］.中國電機工程學報，2009（32）：118124.

［8］邢作霞，陳雷，徐健，等.大型變速變距風電機組轉矩控制策略研究［J］.太陽能學報，2012，33（5）：738744.

［9］王斌，吳焱，丁宏，等.變速變槳距風電機組的高風速變槳距控制［J］.電力自動化設備，2010，30（8）：8183.

［10］王哲.大型風電機組變槳距控制策略研究［D］.沈陽工業大學，2010.

［11］應有，許國東.基于載荷優化的風電機組變槳控制技術研究［J］.機械工程學報，2011，47（16）：106111.

［12］馬蕊，鄂春良，付勛波，等.兆瓦級變速恒頻風電機組變速變槳距控制技術研究［J］.電氣傳動，2010，40（4）：710.

作者簡介：韋橋斌（1981—?），男，廣西百色人，學士，中級工程師，研究方向：風力發電機組智能預警診斷。