基于滑模变结构的风力机变桨距控制研究

而风力机轴上实际输出机械功率为 1 3 p o = p w cp （ λ， β ） = ρs w v c p （ λ ， β） 2
式中 c p （ λ， — —风能利用系数。 β） —
c p 与 λ 和 β 的函数关系为 cp （ λ， 116 ·（ β） = 0 ． 22·［ 1 0 ． 035 － 3 ） － λ + 0 制系统的核 心部分之一， 对风电机组安全、 稳定、 高效地运行
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图1 风能利用系数特性曲线
n— — —风力机变速箱的增速比 。
1
风机动力学特性分析
式中
可以将桨距角执行机构的数学模型表示为 · 1 （ 5） β = （ β i － β） τβ
— —风机叶片的桨距角； β— — —桨距角的参考输入； βi — — —风力机执行机构的时间常数 。 τβ —
根据空气动力学理论， 在风力发电机将风能 由贝兹理论可知， 在其能 转换为机械能的过程中， 量转换的过程中风力机的输入功率不能全部被其 风轮所吸收利用， 其实际输入功率为 pw =
已有部分研究将神经网络和模糊控制等技术应用 于变桨距控制方法， 并取得了一些成果。 本文基 于自然界风速的随机性设计了对风机叶片变桨距 控制的双馈风力发电机组的滑模控制器， 通过对 滑模变结构控制的分析， 设计了以输入功率和输 出功率为变化的输入量， 以桨距角的变化为输出 量， 对风机桨距角控制的变结构控制器 ， 将其用于 对风力发电机叶片桨距角的调节， 实现了最大风 能的捕获以及额定风速以上的系统保持额定功率 输出， 有效地改善了系统的控制性能。
1440
2011 ， 39 （ 9 ） 式中 u d1 、 u q1 、 u d2 、 u q2 — — —分别为发电机定、 转子电压在 d—q 轴上的分量； i d1 、 i q1 、 i d2 、 i q2 — — —分别为发电机定、 转子电流在 d、 q 轴上的分量。
动执行机构驱动， 或 3 个传动执行机构同时驱动， 使得桨叶节距角的变化一致。由于液压传动系统 的力矩大， 目前在大多数大型风机应用的统一变 桨距技术采用了液压传动的方式 。 独立变桨距是指风机的每个桨叶均由独立的 若 1 个变桨距传动执 变桨距传动执行机构驱动， 行机构出现故障， 另外 2 个传动执行机构仍然能 够调节桨叶的节距角， 从而实现转矩控制。 2． 2 变桨距控制策略 在任何风速下风力发电机都存在 1 个最大功 率输出点， 对应着最大转换效率， 当实际风速小于 风力发电机的输出功率不能达到其 额定风速时， 额定功率。为了能够最大限度地将风能转换为电 此时风力发电机应该保持固定的桨距角运行 ， 能， 使其保持最佳的叶尖速比， 从而能最大限度地捕 获风能使得风力发电机保持最佳的输出功率 。而 由于发电机和各 当实际风速超过其额定风速时， ， 种器件的功率达到上限 此时应该限制风力机获 此时可以对桨叶的节距角进行调整 ， 改变 取风能， 风能利用系数， 从而来控制风力发电机的转速和 功率， 避免风力发电机超出其转速极限和功率极 ［2 ］ 限， 起到保护作用 。 同时还可以让风力发电机 保持最大功率输出。
1 0 ． 035
0 ． 4 ·β － 5 ］ ·e －12． 5（ λ +0． 08·β － β3 +1 ）
（ 3）
式中， 对于任意的节距角 β， 风能利用系数都存在最大值 c pmax ； 而在大型风力发电机正常运行的叶尖速比 λ 范围 c p 保持在最大值左 内， 即 3 ≤ λ≤ 8 ， 当节距角 β = 0ʎ 时， c p 明显开始减小， 右， 而当 β 逐渐增大时， 如图 1 所示。
基金项目： 国家自然科学基金项目（ 50967004 ）
Variable Pitch Control of Wind Turbine Generator Base on Sliding Mode
TIAN Yong，ZHANG Hongli，Mayila·Saiyili （ College of Electrical Engineering； Xinjiang University； Urumqi 830047 ，China） Abstract： According to the uncertainty of wind energy and the strong nonlinear characteristics of wind power system， the slidingmode variable structure controller was designed and applied to the variable pitch control of an asynchronous doublyfed generator，which was simulated by Matlab / simulink． The simulation results show that the performance of sliding mode variable pitch control can not only effectively control the wind turbine speed range，but also maintain the maximum power output of the wind turbines at wind speed over rating． Key words： asynchronous doublyfed generator； sliding mode variable structure control； maximum output power； variable pitch control Foundation items： The National Natural Science Foundation of China （ 50967004 ）
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田
勇， 等
基于滑模变结构的风力机变桨距控制研究
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一。国外研制的大容量风电机组中， 已将神经网 、 络 模糊控制和专家系统等智能控制技术应用于
［1 ］ 其技术已逐渐成熟 。 在 风机变桨距控制领域， 对于变桨距技术方面的研究起步相对较晚 ， 国内，
第 39 卷 第 9 期 2011 年 9 月
Vol． 39 No． 9 Sept． 2011
基于滑模变结构的风力机变桨距控制研究
田 勇， 张宏立， 玛依拉·赛依力
（ 新疆大学 电气工程学院， 乌鲁木齐 830047 ） 摘 要： 根据风能的不确定性和风力发电机的系统有着很强的非线性特点， 设计了滑模变结构控制器， 对1 台
若不考虑风力发电机传动轴的柔性影响， 可 以将风轮的动力学特性定义为 dω r = T r － T d － nT m Jd dt
式中 Jd — — —风轮的转动惯量； Td — — —风力发电机传动机构的阻力矩； Tm — — —传动机构的次传动扭矩；
（ 4）
图2 变桨距系统原理图
统一变桨距是指风机所有桨叶均由同 1 个传
定子磁链方程：
{ψ ψ {ψ ψ
d1 q1
= L1 i d1 － L d i d2 = L1 i q1 － L d i q2 = L2 i d2 － L d i d1 = L2 i q2 － L d i q1
有着十分重要的作用。变桨距控制技术已成为当 前大型风电机组控制技术研究的热点和难点之
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