风力发电变桨控制系统设计研究

风力发电变桨控制系统设计研究

作者：冯晓超詹云霄

来源：《科学与信息化》2020年第15期

摘要如今，风力发电十分普遍，为保障电力供应充足做出了极大贡献。在此环节，相关工作人员极为重视风力发电的变桨系统控制工作。基于此，本文着眼于双馈异步发电机，对此类发电机组的特性进行了分析，并对其变桨控制系统设计要点进行了论述，希望能为相关工作人员带来参考。

关键词风力发电;变桨控制系统;系统设计;发电机组

前言

风力发电机组是实现风能与电能转换的重要装置，对发电机组进行深入研究更有助于提高其运行效率。因此，在实践工作中相关工作人员应该对双馈异步发电机的变桨控制系统加以研究，进而实现该系统的优化设计，为保证双馈异步发电机的有效运行奠定基础。

1 双馈异步发电机组概况

双馈异步发电机是一种十分常见的风能发电机组，其整体由五大装置和四大系统构成，其中变桨控制系统是机组的核心所在。此类型发电机组具备局部功率变频的特点，所以当其出现电压跌落时极容易引发脱网问题[1]。在双馈异步发电机组运行环节，主要以风轮捕获风能，该装置是风机的重要部件，其运行有效性将会对发电机组的能量转换效率产生直接影响。当叶

片处于最佳桨距角位置时，可跟踪最大风能，风轮吸收功率与风速成正比关系，发电机组将基于定将距模式运行。

现阶段，双馈异步发电机组变桨距控制技术具备明显的启动和制动特性。若在双馈异步发电机变桨控制系统的调节之下机组变桨距离与启动条件相符，则风轮的启动力矩数值越高，越有助于定桨距系统的机组启动。而且，为避免风力发电机组脱网而对电网产生冲击，在脱网时应将发电机组功率为0。从双馈异步发电机组的角度来看，机组在基于额定风速以上运行时，变桨控制系统最为重要的功能就是可对机组吸收的能量多寡进行有效调节，进而始终保持输出功率与额定功率点持平。

2 双馈异步发电变桨控制系统设计

在变桨控制系统设计环节，设计人员大多选用Bladed软件和MATLAB软件作业，前者可帮助设计人员构建完整的风机线性化模型，而后者则可以对发电机的控制机器进行合理设计，还能有效校对控制器时间和频率[2]。基于此，本文对以MATLAB软件开展的发电机变桨控制系统设计进行了分析。

2.1 变桨控制器设计

MATLAB软件是一种可用于算法开发和数据可视化的商业数学软件，将其应用能在变桨控制器设计环节十分可行。在设计环节，应该先建立变桨控制系统的模型，当风速不同时不同模型间也存在较大差异。因此，在设计控制器时，应该依照不同风速进行分别设计。比如，分别设计12m/s、14m/s、18m/s和22m/s风速下的控制器。此时，需要先利用MATLAB软件将变桨控制器的控制对象模型进行合理导出而后在开展设计工作。此时，可将变桨控制器的传递函数设为：

在此环节，应该变桨系统控制模型的响应曲线特性加以重视。若在统一控制器之下，基于不同风速的变桨系统模型的响应曲线特性之间存在较大差异。其根本原因是当风速高于额定值时，风速越大所引发的风机动态模型响应越大。所以，应该分别设计控制器。

2.2 低电压穿越时的变桨控制器设计

低电压穿越即LVRT，意味着即便大电机组并网点的电压跌落，其依旧可不脱网运行，而且还能在此期间为电网供应无功功率，进而辅助电网恢復正常。从本质上来说，LVRT属于发电机组并网运行环节的特殊运行功能要求，在不同地区这一要求的具体内涵大相径庭，在实际作业环节需要依照具体要求保持发电机组不脱网运行。

（1）控制对象模型

设计LVRT控制器的根本目的，是解决因电压跌落而导致的功率波动和超速问题，要基于变桨PI控制器来保证低电压穿越环节的发电机组能不出现大幅度功率波动，并且可迅速恢复功率。在此环节，需要明确风力发电机组的传动链运动方程：

在此环节，，以TL代表风轮所提供的拖动转矩;Jg代表发电机的转动惯量;同时以Dg表达阻转矩阻尼系数，且该系数与转速为正比关系;以Kg表示扭转弹性转矩系数，并以N表示齿轮箱速比。

（2）控制系统设计

在双馈异步发电机变桨控制器运行环节，系统以机械扭矩、发电机电磁扭矩和转速为输入，以发电机实际转速为输出，系统将基于PI控制器来调整风轮扭矩和转速的差值，进而获取桨距角指令，在限幅后将指令输入变桨执行器，以达到改变实际扭矩和发电机转速的效果。在此环节，变桨动作将依照变桨执行器的指令而行。

基于风力发电机的特性，在变桨系统的PI控制器中引入风力机输出的机械转矩和电磁转矩，可以设计出变参数PI控制器。基于公式：

可分别得到控制器参数Kp和Ki。而后可将风力机输出的机械转矩和发电机电磁转矩之差设定为e，则控制器的参数将会跟随e而不断变化。当发生电压跌落时，Te数值将会快速下降，则此时PI参数会随之扩大，这代表着系统需要输出大桨距角来减小e;反之，在电压恢复时，e的数值会快速降低，那么TL和Te之间的差异将不断缩小，则PI参数也会减小，系统快速输出的桨距角指令会相对较小。鉴于转矩差值的大小与电压跌落幅度关系紧密，在设计控制器时就必须进行更加全面的考量，使其具备良好的控制能力，能有效抑制机组转速上升和功率波动大的问题。在双馈异步发电机变桨控制系统设计环节，引入扭矩误差可以提升系统的控制性能，让系统运行更具有效性。此外，在对控制系统设计时，设计人员还应该牢记变乱系统的最终桨距角指令，应该与转速反馈变桨控制器和功率补偿变桨控制器的指令和相同。而且，当出现电压跌落时，LVRT变栾控制器需要及时提供桨距角指令。

3 结束语

总而言之，对于双馈异步发电机组而言，变桨控制系统是其核心装置，该系统的正常运行可以保障发电机组正常发电。因此，在开展双馈异步发电机变桨控制系统设计环节，相关工作人员应该做好变桨控制器设计和低压穿越环节的变桨控制器设计，为保障其运行有效性提供辅助。

参考文献

[1] 王海.双馈异步风力发电机组变桨距控制研究[D].淮南：安徽理工大学，2018.

[2] 王海晶.永磁直驱风力发电机组的失速和变桨混合控制策略研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2018.