变速变桨距风力发电机组控制策略改进与仿真

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

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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 1V 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 P

d V

V 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.

5

i 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 ^R

V ^

(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 。

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