风力发电系统变桨控制模型建立与仿真分析

Hr ＝ H0 ＋ rsin（θBi）
（6）
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江西电力职业技术学院学报
第 24 卷
将桨叶平均风速点等效在桨叶长度的 3 ／ 4 处，则
式（6）可表示为：
H ＝ H0 ＋
3R 4
sin （θBi）
（7）
根 据 式 （6）和 式 （7）推 得 每 个 桨 叶 所 受 平 均 风
速 ，如 式 （8）所 示 ：
Fra Baidu bibliotek
候、地形环境等因素外，风速的随机变化会因为桨叶
长度的增加而相互抵消， 高度因素的影响反而会更
明显。 风速在竖直高度方向上的变化主要是由风切
效应产生的。
风剪切是指风速随垂直高度的变化， 即风速会
随高度的增加而增加。 假设地面为零风速平面，则
有 风 切 经 验 公 式 ［6］为
VH ＝（ H ）n
（5）
Vi
＝
［1＋
3R 4H0
sin（θB1+（i-1
）×
2π 3
）］n×V0
（8）
式中：R 为桨叶长度，θB1 为桨叶 1 的方位角。
权系数依据每个桨叶受风情况来进行分配，风
越大，权系数越大，桨叶节距角变化值也越大。 权系
数Ki 表达式为：
Ki ＝
3×［1＋ 3R 4HO
sin（θB1+（i-1
）×
2π 3
以根据桨叶的方位角来为每个叶片产生近似的桨距
控制信号，并以此进行独立变桨距控制。风速传感器
一般安装在机舱上， 离风轮中心的距离与风轮半径
相比可以忽略不计。 风速传感器所测的风速便可认
为是轮毂处 的风速 V0 ，H0 近似 等于机舱中 心高度。
假设取距离风力机转轴 r 处长度为 dr 的叶片叶素离
地高度为 Hr，其与桨叶方位角 θBi 之间的关系为：
第 24 卷 第 1 期 2011 年 3 月
江西电力职业技术学院学报 Journal of Jiangxi Vocational and Technical College of Electricity
Vol.24 No.1 Mar.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）
权系 数Ki
图 3 风力机独立变桨距控制框图
独立变桨距系统的控制策略主要有两种： 一种
是基于桨叶加速度信号的独立变桨控制； 另一种是
基于桨叶方位角信号的独立变桨距控制［6］。 在工程
上，测量桨叶加速度不容易实现，最简单易用的测量
方法是测量叶轮位置角。 由于各叶片风切效应随高
度变化比较明显，且与各自的方位角有关，因此，可
变速变桨风力机组的桨距角参考值可由风速、 发电机转速和电机输出功率三个参数来独立控制， 本文以发电机转速作为变桨控制量， 发电机转速滤 波 反 馈 信 号 与 转 速 给 定 值 之 间 的 偏 差 作 为 PID 控 制器的输入［7］，PID 控制器给出桨距角参考值 β。 但 由于桨距角的变化对于风速而言是非线性的， 在高 风速时， 桨距角的很小变化就会对转矩产生很大的 影响。 通常情况下， 转矩会随着桨距角的变化而几
V0 H0
式中：VH 为离地参考高度 H 处风速；VO 为离地
参考高度 H0 处风速；n 为剪切指数， 它取决于大气
稳定度和地面粗糙度。
2 变桨距控制
变速变桨风力机组变桨距控制方案： 在额定风 速以上， 风机控制系统通过调节节距角来改变风能 利用系数，从而控制风轮转速和发电机输出功率。变 桨 距 控 制 器 的 基 本 目 标 ［4］：风 力 发 电 机 组 在 额 定 转 速下保持稳定的电能输出。 2.1 传统变桨控制
1 变桨距基本原理分析
1.1 风力机空气动力学特性分析
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
动力学 可 ［3-4］ 知，风机从风能捕获的机械能为：
Pa =
1 2
ρπR2CP（λ，β）V3
（1）
式中：ρ 为空气密度；R 为风轮半径；V 为风速；
λ 为叶尖速比；β 为桨距角；Wr 为 风轮旋转 角速度； CP 为风能利用系数［4］。 基于美国可再生能源实验室 提供的 WT-Perf 软件［5］可得如下 CP 曲面。
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研究对象，基 于 Bladed 软 件平 台 对 该控 制 策 略与 传 统 的变 桨
采用 600s 的湍流风来模拟外部风速环境，该湍 流风在长度方向、宽度方向、高度方向的湍流密度分 别为 16.5%、12.89%和 9.12%， 湍流风速曲线如图 4 所示。
图 5 独立变桨距各桨叶节距角
图 6 为风力发电机输出功率曲线， 图中绘出了 两种控制方式下的功率曲线。 采用独立变桨控制风 力发电机输出功率波动最大误差值小于额定功率的 8.9% ， 统 一 变 桨 的 风 力 发 电 机 输 出 功 率 变 化 幅 度 达 到了额定功率的 12%。
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
参考文献：
［1］ Endusa Billy Muhando， Tomonobu senjyu， Naomitsu Urasaki，
et al. Gain Scheduling control of Variable speed WTG under widely varying turbulence loading［J］.Renewable Energy， 2007，32：2407-2423. ［2］ Ma X. Adaptive extremum control and wind turbine control ［D］.PhD thesis, Danemark, May 1997. ［3］ Van der Hooft，E.L Schaak.P，van Engelen.T.G.. Wind turbine control algorithms［R］. Holland：Dutch ministry of Economic Affairs.2003：69-75. ［4］ Tony Burton，David Sharpe，Nick Jenkins and Ervin Bossanyi. Wind Energy Handbook［M］. New York: John Wiley & Sons， Ltd，2001：472-480. ［5］ Buhl，M.L，2004“WT_PERF USER’S GUIDE”Tech.Report， National Renewable Energy Laboratory,Golden,CO. ［6］ 林勇刚，徐立，李伟，等.电液比例变桨距风力机半物理仿 真 试 验 台 ［J］.中 国 机 械 工 程 ，2005，8（16）：667-670. ［7］ 王江. 带增益调度的风力发电变桨距控制研究［J］.电源技 术 应 用 ，2009，12（3）：8-11. ［8］ Fabien Lescher, Jing Yun Zhao, Pierre Borne. Robust Gain Scheduling Controller for Pitch Regulated Variable Speed Wind Turbine［J］. Studies in Informatics and control，14（4）： 299-315.
第1期
崔明东等：风力发电机组的独立变桨控制
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变发电机转子转速使风能利用系数最大； 在高风速
时，调节桨距角来改变发电机输出功率，使输出功率
稳定在额定值附近。 风轮转速或风速改变将引起叶
尖速比变化，影响风能利用系数，从而改变风轮捕获
的机械能功率 Pa，表达式为：
Pa ＝ WrTa
（2）
式中：Ta 为风轮气动力矩，表达式为：
Ta ＝
1 2
ρπR3Cq（λ，β）V2
（3）
式中：Cq 为力矩系数，其表达式为：
Cq ＝
CP（λ，β） λ
（4）
1.2 风剪切效应分析
以上风力机空气动力学特性分析是假定风速在
空间分布上是均匀的，在时间上是变化的，但是，自
然界的风是瞬息万变的， 其在时间和空间上的分布
都是不均匀的。 影响风速变化的因素很多， 除了气
）］2n
3
（9）
Σi=1
［1＋ 3R 4HO
sin（θB1+（i-1
）×
2π 3
）］2n
经权系数 Ki 分配后每个叶片的节距角 βi 为：
β i = Ki β
（10）
式中：β 为统一变化桨距角给定值。
3 系统仿真分析
本文基于 Bladed 软 件平台 对 风 力 机 运 行 在 额 定风速以上区域所采用控制策略的可行性进行验 证。 模拟的风力机组主要参数：风轮直径 80 m，切入 风速为 4 m ／ s，切出风速为 25m ／ s，额定风速 12m ／ s， 额定功率 2MW，风轮额定转速 18rpm。 本文控制策 略的效果体现在额定风速以上的各个工况下， 同时 在实际中，由于湍流风导致的随机变化占主导地位， 因此本文取 DLC1.2 下 20m ／ s 时的仿真结果作比较。
齿轮箱转矩曲线如图 8。 图中显示，相对于统一 变桨，采用独立变桨控制使得齿轮箱转矩尖峰下降。
4 结论
本文通过对变速变桨风力发电机组传统变桨控
第1期
崔明东等：风力发电机组的独立变桨控制
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图 8 齿轮箱转矩
制策略的研究，提出了独立变桨距控制策略，实现了 风力机的桨距控制。 仿真结果表明，在高风速下，采 用独立变桨距控制的方式， 可使风力发电机组运行 在额定功率点和额定转速点，提高发电质量，同时也 减小了齿轮箱转矩尖峰。
文 献 标 识 码 ：A
文章编号：1673-0097（2011）01-0022－05
0 引言
大型风力发电机组在产业化设计中，经济性、可 靠性、优质电能是重要的设计指标。对于变速变桨机 组来说， 在控制方面需要考虑提高风力机输出功率 的稳定性, 这样可以有效提高电能品质和降低传动 链转矩波动，延长部件寿命。
目前国内外学者对风机运行在额定风速以上改 善风电品质和降低齿轮箱转矩尖峰进行了相关研 究。 Endusa Billy Muhando 等人提出在风力发电机组 控制中采用变增益 PID 控制方式 。 ［1-2］ 然而，风机的 非线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。 Endusa Billy Muhando 等人 根据传统的控制策略对风力发电机组桨距控制采用 输出统一变桨角作为控制器的唯一输入 。 ［1-2］ 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 立变桨控制，并基于 Bladed 软件平台对所采用的桨 距控制策略进行仿真。 结果表明， 所采用的独立变 桨距控制策略能够满足控制要求。
乎成线性化的改变，因此，通过改变控制器的全局增 益使其与桨距角成反比例线性关系变化以便补偿转 矩的波动。 根据运行点调整控制器的增益称为增益 调度［7-8］，变增益控制框图如图 2 所示。
βm
变增益
V
Wref
β
PID
执行器
风
力
Te
机
恒转矩
Wg 滤波
图 2 带增益调度的变桨距控制器
2.2 独立变桨距控制 传统变桨控制方式在保持稳定的风轮转速下不
能有效地降低电功率波动。因此，本文提出独立变桨 距控制，即同时控制三叶片的节距角 β，使风力发电 机组在额定风速以上时， 其在额定转速下保持稳定 的电能输出，同时也减小齿轮箱转矩尖峰。
目前国内外风电变桨控制主要有两种方法：统 一变桨距控制和独立变桨距控制。 独立变桨距控制［6］ 是指风力机每支叶片根据自身的控制规律独立地变 化桨距角 β。 图 3 为独立变桨控制框图：
图 1 变速变桨风力机 Cp-λ 运行特性曲线
从图 1 可以得到以下结论： 1）对于固定的桨距角 β，存在唯一最大风能利 用系数 Cpmax。 2）随着桨距角β增大，风能利用系数明显减小。 以上两点为变桨距控制提供了理论基础： 在低 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.
图 6 电功率曲线
图 7 是风轮转速曲线，在统一变桨控制下，风轮 转速波动最大误差达到了额定转速的 3.28%。 在变 转矩独立变桨控制下， 风轮转速变化幅度小于额定 转速的 1.98%。
图 4 湍流风速曲线
图 5 显示了在独立变桨控制下 3 个叶片的变桨 角与统一变桨控制下叶片的变桨角。
图 7 风轮转速曲线