控制设计总结(最终版)教学提纲

第一部分 PI 控制原理及参数求解

1.风力发电机组运行区间分类

A

B C

D

1S 2

S 发电机转速发电机扭矩

1

Q 2

Q 0

在发电机转速小于S1之前，此时发电机无功率输出，当风速大于切入风速时发电机并网，AB 段为恒转速阶段，随着风速增大，发电机转矩增大。BC 段为最优控制阶段，此时发电机转速随着风速变化保持最佳叶尖速比，追踪最大功率点。CD 段为转速恒定区，在这个区域内，不再进行最大风能追踪，而是将机组转速限定在最大允许转速。在D 点时，机组已经达到额定转矩，之后，随着

风速的继续增大，机组恒转矩运行，为了保护机组不受损坏，调整桨距角限制功率。

2.传统PI 变桨距控制

外部控制器框图

上图描述变桨控制和转矩控制的切换条件、对应输出的计算值。下面将给出

在各种情况下的控制细节图。

◆在额定风速以下的控制

风速在额定风速以下时，通过控制发电机的转矩使风力发电机尽量获取多的能量，控制细节图如下。

1）能量转换系统

2) 转矩控制方式

通常变速变桨风力发电机组均按是按照二次曲线图进行转矩给定。

在区域2中，电机转矩2

()g opt g T K W opt ，其中opt K 最优模态增益，

g T 为发电机转矩，g W opt （）发电机最优转速。

3) 启动和过渡区控制框图

此处PI 控制器的输入为电机转速偏差，输出为电机转矩。

◆ 在额定风速以上的控制

风速在额定风速以上时，通过变桨使发电机输出的功率维持在额定功率附近。

桨距控制

此处PI控制器的输出为电机转速偏差，输出为叶片桨距角。

◆使用C++、Fortran或matlab/simulink语言编写的控制器1）使用fortran语言编写的代码

2）使用c++语言编写的代码

3）使用matlab/simulink搭建的控制器模型

◆生成动态链接库DLL文件

1）在Visual Fortran 中新建动态链接库工程，输入工程名(使用FAST调用时名

称必须为DISCON,不区分大小写)和文件存放目录（不要有中文路径）。点击ok。

2）使用默认选项，点击finish

3）点ok。

目录。打开文件如图。

3.基于FAST的变桨PI参数设计

区域3处的目标就是通过变桨控制来使电机转速保持在设定点。在区域3

中保持恒转矩并通过对叶片进行变桨来控制叶轮转速。可以用式（1）来表示此控制设计的简单线性模型：

d A B B w θ∆Ω=∆Ω+∆+∆ （1）

其中rot

A I γ

=

，d rot

B I α

=

，rot

B I ξ

=

。

rot I 为总的转动惯量（包括叶轮，齿轮箱，轴，电机等）。 a e r o Q γ∂=

∂Ω，aero Q ξθ∂=∂，aero Q

w

α∂=∂ a e r o Q 为叶轮的气动转矩，Ω为叶轮转速， θ为叶片桨距角，w 为轮毂高度处穿过叶轮盘的均匀风速扰动成分 。

标准PID 可用式（2）表示

()()()(P g e a r I g e a r D g e a r t K N t K N t d t K N t θ∆=∆Ω+∆

Ω+∆Ω⎰(2)

gear N 为传动比。

对式（2）两边进行拉氏变换,得到下面的等式：

1

()()()()P g e a r I g e a r D g e a r s K N s K N s K N s s s

θ∆=∆Ω+∆Ω

+∆Ω

(3)

对式（3）进行变换：

()[]()(d s s A B s B w s

θ∆Ω-=∆+∆

1

(()()())()P g e a r I g e a r

D g e a r

d B K N s K N s K N s s B w s s

=∆Ω

+∆Ω+∆Ω+∆

(4) 由等式(4)可得传递函数：

2

()

()()(1)()()

d c D gear P gear I gear B s s T s w s BK N s A BK N s BK N ∆Ω=

=∆-+--+- (5) 由劳斯判据可知，系统稳定的充要条件就是其特征方程的各项系数均为正 。 由此我们可以得到：

10,D g e a r B K N ->0,P gear A BK N -->0I g e a r B K N ->。

在区域3中选择线性化点：018/w m s =，12.1rpm Ω=，00.261635rad θ=。 使用FAST 进行线性化可得：A= -0.5536，B= -1.1865

此时可以给出稳定性条件：0I K >，

0.00481P K >-，0.00571D K >-。 将

式2

(1

)(D

g

e

a

r

B

K

N

s

A -+-

- 转为特征方程的一般形式进行分析：2220s ws w δ++= 其中：21I gear D gear

BK N w BK N -=

-,21P gear D gear

A BK N w BK N δ--=

-,

则 ,P I K K 可用下式来表示 ：

2(1)2(1

)D g e a r

I

D g e a r P g e a r g e a r w B K N K B w B K N A K B N B N δ⎧--=⎪⎪

⎨

-⎪=--⎪⎩

◆在Matlab/simulink 中搭建控制器模型

变桨控制器的simulink 模型(无增益调度)