变桨距风力发电机组控制策略的研究

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1、第24卷第3期电力学报Vo1．24No．32009年6月JOURNAL0FELECTRICP0WERJun．2009文章编号：1005—6548(2009)03—0174—04变桨距风力发电机组控制策略的研究徐建军，王惠斌，闫丽梅(1．大庆石油学院电气信息工程学院，黑龙江大庆163318；2．哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨150001)摘要：首先对目前风力发电机桨距的控制和执行方式做了简要的分析，建立了系统各部分的数学模型。然后对变桨距的控制策略进行了着重的研究，给出了并网之前和并网运行后的变桨距控制

2、流程图。最后基于PID控制方式，在Matlab中建立了系统的模型，进行了仿真研究，结果比较满意。关键词：风力发电；控制策略；Matlab仿真中图分类号：TM614文献标识码：A风力发电是近年来发展最快的绿色能源之一。额定功率状态时，变桨距风力发电机组采用Optitip2008年全国风电装机容量就突破了l000万kW，技术l4]，即根据风速的大小，调整发电机转差率，使预计2020年可达8000万kW甚至更高口]。其尽量运行在最佳叶尖速比以优化输出功率。由于目前国际上风电机组正朝着大型化、变桨距和桨距角可以连续调节，

3、因此在高风速情况下可使发变速恒频的方向不断发展，兆瓦级风力机已经成为电机的输出功率保持在额定功率上。此外叶尖刹车了国际风力发电市场的主流产品[2]。由于风力机具装置制动叶轮的同时叶片转动，相当于气体刹车，从有非线性空气动力特征、工作风速范围宽、加之能量而减少了机械刹车对传动系统的冲击，减轻了刹车传递链的柔性结构和随转速变化的机械阻尼的影结构的负荷。优点是机组的启动性能好，输出功率响，使风力发电系统的控制成为一个难题。而本文稳定，停机安全等；缺点是控制复杂。正是从控制策略上着手对变桨距风力发电机组进行1．2变桨距的

4、执行方式分析研究。目前变桨距机构有两种n]：一种是液压变桨距执行机构；另一种是电动变桨距执行机构。液压变1桨距控制桨距控制机构具有传动力矩大、重量轻、刚度大、定1．1定桨距和变桨距位精确、执行机构动态响应速度快等优点，能够保证风力发电机组按照输出功率控制方式有定桨距更加快速、准确地把叶片调节至预定节距。电动变控制(失速调节)和变桨距调节两种l_3]。桨距控制机构可对每个桨叶采用一个伺服电机进行定桨距失速控制是传统的控制方式，叶片的安单独调节(又称独立变桨控制)。伺服电机通过主动装角在安装时就确定好，在运行期间不能

5、变化。当齿轮与桨叶轮毂内齿圈相啮合，直接对桨叶的节距风速超过额定值之后，叶片发生失速效应，将功率限角进行控制。位移传感器采集桨叶节距角的变化与制在一定的范围内。优点是系统控制简化；缺点是电机形成闭环负反馈控制。叶片重量大、轮毂、塔架等部件受力较大，受失速特2系统数学模型性的影响，通常风力发电机的输出功率在达到额定风速后有所下降。根据风机叶片的空气特性，风能利用系数是叶变桨距控制是根据风速的变化来调整叶片的桨尖速比和桨距角的函数C一c(，卢)，精确计算距角，从而控制发电机的输出功率，当输出功率小于需要空气动力学和有

6、限元方面的知识。c的经验收稿日期：2009—03—10基金项目：黑龙江省重点攻关课题基金《大型风电机组变桨距控制技术研究》资助项目(GZ08A504)，大庆高新区创新基金资助项目(DQGX08YF044)作者简介：徐建军(1971一)，男，黑龙江大庆人，副教授，博士，研究方向为计算机控制技术与应用，(E—mail)wanghuibin1234@163．corn第3期徐建军等：变桨距风力发电机组控制策略的研究175公式如下：大风能；当风速大于额定风速时，要保证输出恒定。因此在风速较高时，通常通过调整桨叶节距角来调c

7、一(0．44。l67／3)sin[卜节功率利用系数的值，保持输出功率为最大允许值。0．00184(~一3)p．(1)由变桨距控制过程可知，变桨距控制系统是一风力发电机捕捉风力实际有用功率输出是：个闭环反馈控制系统，它一般根据风速与输出功率P一寺pSc(，卢)。．(2)(或者其他变量如叶尖速比)制定的控制程序来改变桨距角，控制系统框图如下所示。式中：P为风轮吸收的功率，p为空气体积质量；s为风轮扫掠面积；c。为风能利用系数；为叶尖速比；口为桨叶节距角；为风速。风力发电机组从控制系统角度来看可以分为三个子系统：风轮气

8、动特性、传动系统动态特性和发电机模型。(I)风轮的动态模型下运动方程可表示：图1变桨距控制系统原理框图Jr警l。一Tr一⋯丁m．·(⋯3)在发电机并入电网前，发电机转速由控制器A式中，J为风轮的转动惯量；为风轮转动的角速根据发电机转速反馈信号与给定信号直接控制；发度；∞为风轮的气动转矩；n为齿轮箱传动比；T为电机并入电网后，控制器B与功率控制器起作用。扭矩。功率控制器的任