第六章 变速恒频风力发电机组

1.串联超前校正
2.串联滞后校正
(四)查表法 风力发电机组的额定运行点附近，由于选择了使输出功率最大
化的最优桨距角，气动转矩对桨距角的敏感性很小，与风速超
过额定风速时相比，这时需要更高的控制器增益。在风速超过 额定风速时，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，转矩随桨距角变化的敏感性呈线性变化。因此， 可以通过改变控制器的总体增益使其与桨距角成反比的关系来 补偿转矩的波动。这种根据运行点对控制器增益进行修正的规 则称为增益规则表。但气动推力对桨距角的变化的敏感性则是
(3)闭环系统的极点位置。 (4)闭环阶跃响应。 (5)闭环系统的频率特性。
(1)开环频率响应。 通过开环频率响应计算增益和相角裕度，可以给出闭环系统的 稳定性指标。如果裕度太小，系统会趋于不稳定。当开环系统 对于达到单位增益时具有180°的相位滞后，则系统会变得不 稳定，相角裕度给出了实际系统的开环增益在单位增益时的相 角和180°之间的差值。尽管没有标准的规定，通常推荐45° 的相角裕度。类似地，增益裕度表示当开环相角穿越-180°时 的开环增益，通常推荐至少有几分贝的增益裕度。
确，生成报告文件。
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
图6-9
定义数据分项
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
图6-10
叶型数据
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-2 叶轮
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-3 叶片
表6-4
轮毂
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-5 变桨系统
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-1 风力发电机组在切出风速25m/s下的耦合模态分析
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
三、经典控制理论的扩展 四、连续系统的离散化
一、风力发电机组的线性化模型 (一)线性系统和非线性系统
(二)非线性模型的线性化
(一)线性系统和非线性系统 线性系统即可以用线性微分方程描述的系统。如果方程的系数
为常数，则为线性定常系统；如果方程的系数是时间t的函数，
则为线性时变系统。 线性是指系统满足叠加原理，即 可加性：f(x1+x2)=f(x1)+f(x2) 齐次性：f(αx)=αf(x) 非线性系统即用非线性微分方程描述的系统。非线性系统不满 足叠加原理。实际的系统通常都是非线性的，线性只在一定的 工作范围内成立。为分析方便，通常在合理的条件下，将非线 性系统简化为线性系统处理。
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-6 传动链
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-7 停机制动
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-8 发电机
表6-9
锥形塔架
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-10 机舱罩
表6-11
性能
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-12 功率控制
(5)闭环系统的频率特性。 闭环系统的频率特性同样给出了一些重要的指标，如在变桨控 制器中： 1)在低频率时，从风速到叶轮转速或电磁功率的频率响应必须 进行衰减，因为低频率时的风速扰动可以被控制器过滤。 2)在高频率时，从风速到桨距角的频率响应必须进行衰减，并 且在一些类似于叶片穿越频率或传动系统的共振频率等关键频 率处的频率响应不能过大。 3)从风速到塔架振动速度的频率特性在塔架的共振频率处不会 有过大的峰值。
(1)传动链的动态特性。
(2)塔架的前后振动。 (3)功率或转速传感器的响应。 (4)变桨执行机构的响应。
二、经典控制设计方法
图6-1 典型的风力发电机组线性化模型
二、经典控制设计方法 (一)评价指标
(二)反馈校正系统
(三)串联校正系统 (四)查表法
(一)评价指标 (1)开环频率响应。
(2)穿越频率。
(2)穿越频率。 开环增益为单位增益时的频率，是测量控制器响应的重要参数。
(3)闭环系统的极点位置。 它是调整各种谐振的阻尼依据。
(4)闭环阶跃响应。 通过系统对于风速的阶跃响应，显示控制器的效力。例如，调 试变桨控制器时，叶轮转速和功率偏差应当迅速平滑地变为零， 塔筒的振动应该很快的衰减，桨距角应平滑地改变为新的数值， 并且不会产生过大的超调和振荡。
(二)LPV控制器
实际的风力发电机组本身存在着非线性和时变特性。当风力发
电机组的实际工作点与稳态点接近时，用线性系统描述实际的 风力发电机组是可能的，而当实际工作点偏离稳态点范围较大 时，机组的动态特性就不能用线性模型来描述了。解决问题的 方法之一是引入不确定性，将线性控制理论扩展到鲁棒控制理 论，然而，设计过程中不确定性的引入将导致所设计控制器的 性能指标下降。增益调度控制也是解决非线性系统控制问题的
C(s)=G(s)R∗(s)1+GH∗(s)(6-36) 式(6-36)的星变换为C∗(s)=G∗(s)R∗(s)1+GH∗(s)(6-37)
于是，可将式(6-37)改写为离散形式，即
C(z)=G(z)R(z)1+GH(z)(6-38)
四、连续系统的离散化
除上述方法外，还可以采用双线性变换法实现s到z平面的变换，
位移、带阻或带通滤波器，有时还会使用附加的传感器输入必 要的信息。 目前有大量的与更先进的控制器设计方法相关的理论和规则。 (1)自校正控制器。 (2)LQG最优化反馈和H∞控制方法。 (3)模糊逻辑控制器。
(4)神经网络方法。
(一)最优反馈控制器 自校正控制器通常是由一个系数的集合确定的固定阶控制器， 它基于一个系统的线性化经验模型。该模型用来对传感器的测 量进行预测，并将预测的误差用来对模型和反馈定律的系数进 行修正。 如果成本函数被定义为状态量和控制动作的二次函数，则它与 计算最优反馈规律直接相关，被定义为反馈定律，所产生的控 制信号是状态变量的线性组合，并使成本函数最小化。由于这 种控制器要求一个线性化(Linearization)的模型，且具有一个二 次(Quadratic)形式的成本函数和高斯(Gaussin)分布，因此称为L QG控制器。
图6-15
定义极端湍流风窗口3
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
图6-16 风力发电机组模态分析参数设置
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
图6-17
线性化模型
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
图6-18
风力发电机组Campbell图
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
表6-1 风力发电机组在额定风速12m/s下的耦合模态分析
另一种方式，由于它和变桨控制密切相关并对塔架动态特性造
成直接影响，所以需要进一步修改增益规则以保证在所有的风 况下获得良好特性。
三、经典控制理论的扩展 (一)最优反馈控制器
(二)LPV控制器
(一)最优反馈控制器 基于经典控制理论的设计方法，通常包括相对简单的PI或PID
控制算法，并且其中还结合有各种串联或并联的滤波器，如相
一、工具软件的介绍
表6-1 Bladed3.72的功能模块
一、工具软件的介绍
表6-1 Bladed3.72的功能模块
一、工具软件的介绍
图6-7
Bladed工具菜单
一、工具软件的介绍
图6-8
计算模块
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
下面以1.5MW变速恒频风力发电机组为例，以Bladed软件进行建模。
(二)反馈校正系统
图6-2 反馈校正系统的结构
(二)反馈校正系统 反馈控制具有以下明显特点：
(1)削弱非线性特性的影响。
(2)减小系统的时间常数。 (3)降低系统对参数变化的敏感性。 (4)抑制系统噪声。
(三)串联校正系统
图6-3 串联校正系统的结构
(三)串联校正系统 1.串联超前校正
2.串联滞后校正
风力发电机组监测与控制
第六章 变速恒频风力发电机组控制器的设计
第六章 变速恒频风力发电机组控制器的设计 第一节 控制系统的设计方法
第二节 控制系统的设计过程
第三节 查表控制与最优控制 第四节 外部控制器的设计 第五节 外部控制器的实现
第一节 控制系统的设计方法 一、风力发电机组的线性化模型
二、经典控制设计方法
图6-6 包含实际采样信号的采样数据控制系统框图
四、连续系统的离散化
该系统方程为C(s)=G(s)E∗(s)(6-33)
E(s)=R(s)－B(s)=R(s)－G(s)H(s)E∗(s)(6-34) 式(6-34)的星变换为E∗(s)=R∗(s)－GH∗(s)E∗(s)(6-35)
将式(6-35)的结果代入式(6-33)，有
第三步：机组稳态特性分析。
第四步：模态分析。 第五步：坎贝尔图分析。
第六步：导出系统线性化模型。
第七步：控制系统设计。 第八步：仿真研究。
第九步：现场测试。
第二节 控制系统的设计过程 一、工具软件的介绍
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
一、工具软件的介绍 在风力发电机组控制系统的研发过程中，主要用到三个软件，
其原理为以z表示s，产生z的函数，进而得到这种变换的线性近 似，因s=1Tlnz(6-39) 将自然对数lnz展开成级数为lnz=2(x+13x3+15x5+…)(6-40) 式中x=1－z－11+z－1(6-41) 仅使用式(6-40)的第一项，产生双线性变换，有 s≡2T 1－z－11+z－1=2Tz－1z+1(6-42) s的表达式能够插入到一个函数中，如G(s)，它代表一个连续时 间函数，将表达式有理化，就产生函数G(z)，它代表一个离散 函数。
二、使用Bladed软件的载荷பைடு நூலகம்算过程
图6-11
定义正常湍流风窗口1
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
图6-12
定义正常湍流风窗口2
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
图6-13
定义极端湍流风窗口1
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
图6-14
定义极端湍流风窗口2
二、使用Bladed软件的载荷计算过程
(一)最优反馈控制器 另一个可能性是直接作为传感器输出信号的函数来得到最优的 控制信号，这被称为最优输出反馈。但这个问题的数学解是基 于最优性的必要条件，而这些条件通常不是充分的。因此在实 际中，所得到的解可以且经常是非最优的，甚至可能远离最优 解。
(一)最优反馈控制器
图6-4
LQG控制器的结构
四、连续系统的离散化
双线性变换法的一个优势是相对容易实现，相比于精确z域传递
函数的响应来说，双线性变换法的z域传递函数响应的精度要好， 即随频率增加，精度也增加。
第二节 控制系统的设计过程
控制系统的设计过程可以按下面的步骤来进行：
第一步：控制对象分析。 第二步：借助Bladed软件建立风力发电机组模型。
第一步：获取叶片的气动数据。 第二步：按照表6-2~表6-12，逐个在Bladed软件中填入相应项，建立
风力发电机组模型。
第三步：定义三维湍流风场，生成湍流风模型。 第四步：模态分析、振动频率分析。 第五步：外部控制器的定义。 第六步：编制载荷工况。 第七步：后处理。疲劳、极限、频谱分析等。第八步：检查是否正
有效方法之一，它是通过一些成熟的线性化方法将非线性系统
在多个参数化工作点做线性化，设计多个控制器，根据用户定 义的参数变化轨迹切换所设计的控制器来实现增益调度控制。 LPV模型可以被看做是很多线性化的集合来表述的一个非线性 模型。
四、连续系统的离散化
图6-5
数字控制系统原理结构图
四、连续系统的离散化
分别是Bladed3.72、Matlab2007a、Visual C++6.0。本节主要对
Bladed软件作一介绍，Matlab2007a和Visual C++6.0可参考相应 的软件手册和专业书籍。 Bladed3.72是英国Garrad Hassan and Partners Limited公司(www.g )开发的用于风力发电机组设计的专业软件，已 通过GL(德国劳埃德船级社)认证，软件的计算和仿真功能十分 强大。
(二)非线性模型的线性化 线性系统是有条件存在的，只在一定的工作范围内具有线性特
性；非线性系统的分析和综合是非常复杂的。对于实际系统而
言，在一定条件下，采用线性化模型近似代替非线性模型进行 处理，能够满足实际需要。 对于一个非线性系统，可以用泰勒级数展开法进行线性化。
二、经典控制设计方法
二、经典控制设计方法 在设计变桨控制器的线性化模型时至少应该包含以下动态特性：