风力发电系统变桨控制模型建立与仿真分析

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1、第24卷第1期江西电力职业技术学院学报Vol.24No.12011年3月JournalofJiangxiVocationalandTechnicalCollegeofElectricityMar.2011风力发电机组的独立变桨控制崔明东，孙禹（中国华电集团公司云南以礼河发电厂，云南会泽654200）摘要：为了实现风力发电机组3个桨叶的独立控制，依据风力机空气动力学原理和风剪切效应，提出了基于桨叶方位角信号的权系数分配独立变桨距控制方法。通过权系数对3个桨叶统一的桨距角进行重新分配，将统一变化的变桨角转化为每个桨叶独立变化的桨距角。以2MW变速变桨风力发电机组为

2、研究对象，基于Bladed软件平台对该控制策略与传统的变桨控制策略进行仿真比较。结果表明，相对传统的变桨距控制，独立变桨距控制使风力发电机组能够在额定转速下保持稳定的电功率输出的同时还能减小齿轮箱转矩尖峰。关键词：风力发电机；独立变桨控制；桨叶方位角；风切效应中图分类号：TM714文献标识码：A文章编号：1673-0097（2011）01-0022－050引言典型的变速变桨风力发电系统由机械部分和电能转化部分组成。对于风电系统的机械部分，由空气大型风力发电机组在产业化设计中，经济性、可［3-4］动力学可知，风机从风能捕获的机械能为：靠性、优质电能是重要的设计指

3、标。对于变速变桨机123组来说，在控制方面需要考虑提高风力机输出功率Pa=2ρπRCP（λ，β）V（1）的稳定性,这样可以有效提高电能品质和降低传动式中：ρ为空气密度；R为风轮半径；V为风速；链转矩波动，延长部件寿命。λ为叶尖速比；β为桨距角；Wr为风轮旋转角速度；目前国内外学者对风机运行在额定风速以上改［4］CP为风能利用系数。基于美国可再生能源实验室善风电品质和降低齿轮箱转矩尖峰进行了相关研［5］提供的WT-Perf软件可得如下CP曲面。究。EndusaBillyMuhando等人提出在风力发电机组［1-2］控制中采用变增益PID控制方式。然而，风机的非线

4、性空气动力特征制约了上述控制器性能。传统风力发电机组控制策略：当风速在额定风速以下时通过控制发电机输出转矩来实现；当风速在额定风速以上时通过控制桨距角，使机组能准确地保持在额定功率发电。EndusaBillyMuhando等人根据传统的控制策略对风力发电机组桨距控制采用［1-2］输出统一变桨角作为控制器的唯一输入。采用上述变桨距控制方式不能有效地保持电功率稳定和减小齿轮箱转矩尖峰的多目标控制，因此，本文提出独图1变速变桨风力机Cp-λ运行特性曲线立变桨控制，并基于Bladed软件平台对所采用的桨从图1可以得到以下结论：距控制策略进行仿真。结果表明，所采用的独立

5、变1）对于固定的桨距角β，存在唯一最大风能利桨距控制策略能够满足控制要求。用系数Cpmax。2）随着桨距角β增大，风能利用系数明显减小。1变桨距基本原理分析以上两点为变桨距控制提供了理论基础：在低1.1风力机空气动力学特性分析风速时，桨距角设定在最优值，通过变速恒频装置改收稿日期：2010-11-01作者简介：崔明东（1979-），男，云南会泽人，工学硕士，主要从事计算机监控及网络通信、电力设备故障智能化监测与诊断方面的研究.第1期崔明东等：风力发电机组的独立变桨控制23变发电机转子转速使风能利用系数最大；在高风速乎成线性化的改变，因此，通过改变控制器的全局增

6、时，调节桨距角来改变发电机输出功率，使输出功率益使其与桨距角成反比例线性关系变化以便补偿转稳定在额定值附近。风轮转速或风速改变将引起叶矩的波动。根据运行点调整控制器的增益称为增益［7-8］尖速比变化，影响风能利用系数，从而改变风轮捕获调度，变增益控制框图如图2所示。的机械能功率Pa，表达式为：βm变增益VPa＝WrTa（2）式中：Ta为风轮气动力矩，表达式为：WrefβPID执行器风T＝1ρπR3C（λ，β）V2（3）力aq机2Te恒转矩式中：Cq为力矩系数，其表达式为：WgCP（λ，β）滤波Cq＝（4）λ图2带增益调度的变桨距控制器1.2风剪切效应分析2.2

7、独立变桨距控制以上风力机空气动力学特性分析是假定风速在传统变桨控制方式在保持稳定的风轮转速下不空间分布上是均匀的，在时间上是变化的，但是，自能有效地降低电功率波动。因此，本文提出独立变桨然界的风是瞬息万变的，其在时间和空间上的分布距控制，即同时控制三叶片的节距角β，使风力发电都是不均匀的。影响风速变化的因素很多，除了气机组在额定风速以上时，其在额定转速下保持稳定候、地形环境等因素外，风速的随机变化会因为桨叶的电能输出，同时也减小齿轮箱转矩尖峰。长度的增加而相互抵消，高度因素的影响反而会更目前国内外风电变桨控制主要有两种方法：统明显。风速在竖直高度方向上的变化主

8、要是由风切［6］一变桨距控制和独立变桨