变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真刘 军,何玉林,李 俊,黄 文(重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆市400030)摘要:在分析变速变桨距风力发电机组基本控制策略的基础上,提出一种扩大过渡区的改进控制策略,用来消除额定功率运行点附近切换造成的功率波动及突变载荷等不利影响。

依据改进的控制策略设计了3个控制器平滑过渡方案,实现对该策略的最佳跟踪。

运用MAT LAB 仿真平台模拟了改进控制策略下的风力发电机组运行特性,结果表明了改进控制策略的正确性及控制器设计的有效性。

关键词:风力发电机组;变速变桨距;控制策略;扩大过渡区;平滑控制收稿日期:2010 06 23;修回日期:2010 10 09。

重庆市科技攻关重点项目(CST C2007A A3027)。

0 引言风力发电机组的控制技术由原来单一的定桨距失速控制转向变桨距变速控制,目的是为了防止风能转换系统承受的载荷过重,从风场中最大限度地捕获能量以及为电网提供质量较好的电能。

然而,风力发电机组作为一种复杂的、多变量、强耦合、非线性的系统,要想减小风力机载荷以延长其使用寿命,抑制功率波动以降低对电网的不利影响,控制策略的选取及控制器的设计至关重要[1 6]。

本文通过对变速变桨距风力发电机组基本控制策略的分析,针对过渡区运行过程中出现的功率波动大及突变载荷强等情况,提出一种改进的控制策略来减缓此种影响。

为最佳跟踪改进的控制策略,设计了3个控制器以实现3个运行区间的平滑过渡。

同时应用M ATLAB 仿真平台对变速变桨距风力发电机组运行特性进行了仿真,结果表明了所提出方案的合理性和可行性。

1 基本的变速变桨距控制策略如图1所示,在转速 转矩平面图中,曲线A BC 描述了变速变桨距风力发电机组的基本控制策略。

在低风速区,风电机组从切入风速为V in 的A 点到风速为V N 的B 点,沿着C pmax 曲线轨迹运行,此区间称为恒C p 运行区。

由于在B 点发电机转速达到了其上限值 N ,当风速从V N 上升到V N 时,转速将恒定在 N ,提升发电机转矩使风电机组达到其额定功率,在图1中为BC 段,也称为恒转速区或过渡区。

当风速超过额定风速V N 时,变桨距系统将开始工作,通过改变桨距角保持功率的恒定,风电机组将持续运行在C 点,直到风速超过切出风速V out ,此区间称为恒功率区,而此区间内桨距角控制方式采用统一桨距控制,它是指风力机所有桨距角均同时改变相同的角度[7 8]。

在此需要注意的是:若最大功率P N 曲线与C pmax 曲线的相交点在额定转速极限值左侧,就会造成风电机组在未达到额定转速时,已进入失速状态,相应的A B 区间将被缩小,这时就需对整个风电机组额定点进行重新选取。

图1 变速变桨距风力发电机组控制策略Fig.1 C ontrol strategy of the variable speed pitch controlled wind turbine driven generator system从图1可以看出,3个区间工作点的划分非常明显,而控制器的设计与工作点的选取有着必然的联系,因此,基本的变速变桨距风电机组通常会设计2个独立的控制器,一个用来跟踪参考速度,另一个用来跟踪额定功率。

由于2个控制器都有各自的控制目标,在运行过程中相互独立,然而在工作点附近,2个控制器又相互制约,这种制约就会导致风电机组在C 点控制系统的调节能力下降,在突遇阵风82 第35卷 第5期2011年3月10日Vo l.35 N o.5M ar.10,2011等情况时,会产生较大的功率波动及较强的瞬间载荷。

导致这种情况发生的根源在于风速低于额定值时,风电机组通常以最佳桨距角运行,为了克服风速突然增大时的气动转矩,抵消过量的功率,需大幅度改变桨距角,然而,这种变动因为变桨装置自身的特性而被限制。

因此,为了更好地控制气动转矩,提高风电机组的整体控制能力,需对控制策略进行改进。

2 改进的变速变桨距控制策略改进的变速变桨距控制策略如图1中曲线AE F 所示。

改进策略与基本策略的不同之处在于:过渡区出现的调整是以风速V 1开始,风速V 2结束的,而转速和桨距角的改变方式也发生了变化。

这些改变可以在图2中表现出来。

图2 改进控制策略下风力发电机组特性Fig.2 Operation characteristics of wind turbine driven generator system with the improved control strategy在低风速区,控制策略基本不变,保持恒定功率系数C p 运行,但当风速达到V 1时,进入过渡区运行。

在过渡区,转速将以更小的斜率随风速的增加而增加,同时为了提高工作点的控制力,桨距角也随着风速的增加而线性增加,当风速达到V 2时,过渡区结束。

很明显,V 1<V N ,V 2>V N ,过渡区被扩大,相应的稳态功率曲线的斜率d P/d V 减小,针对速度区间 V,功率的变化量 P =d Pd VV 也就减小,那么功率波动就会相应减小,瞬间载荷也相应被减缓。

风速高于V 2时,依然采用变桨距控制方式,但采用更为先进的独立变桨距控制方式。

独立变桨距控制是在统一变桨距控制基础上发展起来的新型变桨距控制理论,它将每支叶片作为独立的控制对象,依据各自的控制规律独立地改变桨距角,以达到更好的减缓载荷的目的[9 12]。

3 控制器设计要实现对改进的变速变桨距控制策略的最优跟踪,控制器的设计十分重要。

针对改进策略的特点,本文设计了3个控制器。

3.1 低风速区控制器根据空气动力学原理,风力机产生的功率为:P =0.5 R 2C p ( , )V 3(1)式中: 为空气密度;R 为风轮半径;V 为驱动风力机的有效风速; 为叶尖速比, = R /V, 为风轮转速;C p 为风能利用系数,是叶尖速比 和桨叶节距角 的函数,本文采用以下函数[13]进行拟合:C p ( , )=0.22116 i-0.4 -5e -12.5i 1 i =1 +0.08 -0.035 3+1(2)结合式(1)和式(2)可以看出:当桨距角 固定在某一值时,存在一个最佳叶尖速比 opt ,使得风能利用系数C p 值最大,亦即风力机获取的功率最大。

为最大化获取的风能,设计出如图3所示低风速区控制器。

图3 低风速区控制器Fig.3 C ontroller for low wind speed region图中:V^为风速估算值; Z 为发电机实际所需转速输出值; g 为发电机运行转速; ref 为转速参考值,ref =f (V ^)=i opt V ^RV ^<V 1(3)式中:i 为齿轮箱增速比。

图3中的控制算法采用比例 积分(PI)控制算法,则有Z =K P e +K I e (4)式中:K P 为比例增益;K I 为积分增益;e 为发电机转速误差,定义为e = ref - g 。

83绿色电力自动化 刘 军,等 变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真3.2 过渡区控制器过渡区控制器的设计主要是为了消除瞬间载荷对风力机的冲击。

采用具有转速反馈外环的转矩控制环,运用特定的控制算法和统一变桨距控制方式来实现此区间的控制。

控制器结构如图4所示。

图4 过渡区控制器Fig.4 Controller f or transition region图中:T g 为发电机运行转矩; Z 为实际所需桨距角输出值;转矩参考值T ref 定义为:T ref =g( g )=12 R 3C p g R V ^, Z V ^2V 1 V ^<V 2(5)桨距角的动作属于跟踪控制策略的一种主动变化,由于它的大惯性等特点,另外,为了便于变桨伺服电机的控制,将其设定成与预测风速成线性关系(见图2)。

由于运用风速的估算值来确定发电机转矩时,气动损失、传动链损失等很难得到准确地估算,致使得到的参考转矩不是很精确,所以改用发电机转速作为计算参考转矩的输入,这样可直接对发电机转矩进行计算。

需注意的是,此区间发电机转速与风速的线性斜率已发生变化。

图4中的控制算法采用基于单个神经元的自适应模糊控制算法[14 15],其结构框图如图5所示。

图中:T r (t),e(t),e c (t),e s (t)分别为转矩测量值、误差、误差变化率和误差积分。

图5 单神经元自适应模糊控制器结构Fig.5 Structure of single neuron adaptive fuzzycontroller单神经元自适应模糊控制器是在模糊控制器基础上,利用单个神经元的输出U n (t)来在线调整模糊控制规则查询表,以达到调整控制规则的目的,从而提高系统的自学习和自适应能力,完善系统性能。

对于每一组输入变量e(t)和e c (t)进行模糊量化处理,得到相应的语言变量论域上的模糊集E (t)和E c (t),再根据它们的值查询模糊控制查询表,得到控制量U f (t)的值,此值经过神经元调整为:U z (t)=U n (t)+U f (t)(6)式中:U n (t)为神经元的输出,-1 U n (t) 1;U f (t)为查询模糊控制规则查询表得到的精确控制量。

然后,将所得到的U z (t)存入模糊控制查询表原来U f (t)所在的位置,取代原来的U z (t)值,这样就完成了对模糊控制规则查询表的在线调整。

再将U z (t)乘以比例因子K u ,便得到施加给被控制对象的控制量为:u k (t)=K u U z (t)(7)图5中,单神经元的学习算法通过改变权系数的值来实现,如何调整得到权系数对系统性能有着非常重要的影响,在此令权系数按照误差能量函数的负梯度方向进行修改。

3.3 高风速区控制器当风速达到V 2时,风力发电机组的机械和电气特性也达到其设计极限,随着风速的进一步增大,此时要求发电机的转速和输出功率维持在额定值。

根据风力发电机组的气动特性,增大桨距角可以减小风能利用率,因此,当发电机输出功率大于额定功率时,通过调节桨距角减小发电机的输出功率使之维持在额定值。

另外,在满足额定功率的同时,为更好地减缓风力机所承受的载荷,采用先进的独立变桨距控制技术。

高风速区控制器设计结构见图6。

图6 高风速区控制器Fig.6 C ontroller for high wind speed region图中: 为风轮方位角; i 和 Z i (i =1,2,3)分别为实测桨距角和变桨距所需桨距角;P ref 为风电机组额定功率;P g 为通过发电机转速估算的功率值,定义为:P g =h( g )=3i=112 R 2C p g R V^n , Z i V 3Z i g = NV Z i =V ^(1+0.5sin ( +120 (i -1)))(8)式中:V ^ V 2;V Z i 为单个叶片上的有效风速。