风力发电的变桨距控制研究

基于模糊PID的风力发电机组变桨距控制研究作者：田强来源：《现代电子技术》2013年第16期摘要：为了提高变桨距控制系统对风力发电机组的跟踪控制精度，同时避免局部极小值问题，针对常规PID控制难以实现风力发电机组控制效果，首先建立了风力发电机组变桨距的动态模型，在分析风力发电机组变桨距控制要求的基础上，提出了一种基于模糊PID的变桨距控制方法。

该方法将模糊与PID相结合这样有效的弥补常规PID的不足。

在随机风作用下对机组的模糊PI控制器进行仿真，仿真结果表明该模糊PI控制器具有良好的动态性能及对风速扰动的鲁棒性，能够有效改善风力发电机组的变浆距系统控制效果。

关键词：风力发电机组；变桨距控制；模糊PID；变速恒频中图分类号： TN710⁃34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）16⁃0146⁃030 引言风力发电是一种清洁、绿色、无污染的可再生新能源，近几年风力发电得到了快速的发展。

目前大型风力发电机组普遍采用变桨距控制系统，变桨距风机能够提高风机的风能利用系数以转换最大的风能[1]。

当风速达到额定风速以上时，采取变桨距控制策略，通过改变叶片的迎风角度以改变气流对风力机的作用面积，使发动机输出功率维持在允许范围内。

模糊（Fuzzy）控制是一种新颖的控制策略，其最大的特点是利用专家经验或相关控制经验建立语言控制规则，无需精确数学模型就可由控制器执行其功能[2]。

人们提出模糊控制与传统PID控制相结合，组成复合模糊PID控制器的策略，取长补短，综合其优点。

当误差大于某一阈值时，首先利用模糊控制算法，加快系统的响应速度，提高系统的阻尼特性且减小响应过程的超调量，使误差尽快到达平衡点附近；当误差到达平衡点附近时，经过阈值开关的转化，利用PI控制器中的积分作用消除系统的误差。

本文变桨距控制即采用这种复合控制技术。

1 风电机组变桨距控制工况分析定桨距风电机组相比，变桨距风电机组具有较好功率平滑控制性能及并网更加灵活等优点，被广泛应用于现代风力发电系统中。

直驱式永磁同步风力发电机变速变桨距控制变桨距是最常见的控制风力发电机组吸收风能的方法。

变桨距控制会对所有由风轮产生的空气动力载荷产生影响。

直驱式永磁风力发电机组一旦达到额定转矩，载荷转矩就不能继续增加，但风速还在增加，所以转速也开始增加，应用变桨距控制调节转速，使转速不超过上限，并由变流器保证载荷转矩恒定不变。

通常PI或PID调节器调节桨距角就可以满足要求，在有些情况下要用滤波器对转速误差进行处理，以防止过度的桨距动作。

一、变速变桨距控制概述1.基本控制要求在额定风速以下时，风力发电机组应该尽可能捕捉较多风能，所以这时没有必要改变桨距角，此时的空气动力载荷通常比在额定风速以上时的动力载荷小，也没有必要通过变桨距来调节载荷。

在额定风速以上时，变桨距控制可以有效调节风力发电机组的吸收功率及风轮产生的载荷，使其不超出设计的限定值。

而且为了达到良好的调节效果，变桨距应该对变化的情况作出迅速的反应。

这种主动控制器需要仔细设计，因为它会与风力发电机组的动态特性相互影响。

随着叶片攻角的变化，气流对风轮的作用力也会随之发生改变，这就会导致风力发电机组塔架的振动。

随着风速的增加，为了保持功率恒定，转矩桨距角也随着增加，风轮所受到的力将会减小。

这就使塔架的弯曲减小，塔架的顶端就会向前移动引起以风轮为参照物的相对风速的增加。

空气动力产生的转矩进一步增加，引起更大的调桨动作。

显然，如果变桨距控制器的增益太高会导致正反馈不稳定。

2.主动失速变桨距在额定风速以下时，桨距角设定值应该设置在能够吸收最大功率的最优值。

按照这个原则，当风速超过额定风速时，增大或减小桨距角都会减小机组转矩。

减小桨距角，即将叶片前缘转向背风侧，通过增大失速角来调节转矩，使升力减小，阻力增加，称为主动失速变桨距。

尽管顺桨是更常见的控制策略，但是有些风力发电机组采用主动失速变桨距的方法，通常称为主动失速。

向顺桨方向变桨距比主动失速需要更多的动态主动性，一旦大部分叶片失速，就没有足够的变桨距调节来控制转矩。

2023-11-10CATALOGUE 目录•风力发电机组简介•变桨距控制策略的基本理论•变桨距控制策略的实现方法•变桨距控制策略的优化方法•变桨距控制策略在实际中的应用及案例分析01风力发电机组简介风力发电机组的基本构造风力发电机组的核心部件，由叶片和轮毂组成，用于捕捉风能并将其转化为机械能。

风轮齿轮箱发电机塔筒连接风轮和发电机的重要部件，将风轮的转速提升到发电机所需的速度。

将机械能转化为电能的重要部件，由定子和转子组成。

支撑风轮和发电机的高耸结构，通常由钢铁或混凝土制成。

风力发电机组通过旋转的风轮捕捉风的动能，并将其转化为机械能。

风的捕捉机械能的转化电能的产生机械能通过齿轮箱的传递，将转速提升到发电机所需的速度。

发电机将机械能转化为电能，通过电缆输送到电网。

03风力发电机组的运行原理0201按风向分类水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。

水平轴风力发电机组的风轮轴与地面平行，而垂直轴风力发电机组的风轮轴与地面垂直。

风力发电机组的分类按容量分类小型、中型和大型风力发电机组。

小型风力发电机组的功率通常在几百瓦到几千瓦之间，中型风力发电机组的功率在几兆瓦到几十兆瓦之间，而大型风力发电机组的功率通常在几百兆瓦到几兆瓦之间。

按运行原理分类恒速风力发电机组和变速风力发电机组。

恒速风力发电机组的风轮转速保持不变，而变速风力发电机组的风轮转速可以根据风速进行调整。

02变桨距控制策略的基本理论变桨距控制是一种用于调节风力发电机组功率输出的技术，通过改变桨叶的桨距角实现对风能捕获的优化控制。

在风速较高时，通过减小桨距角增加风能捕获，以提升发电机组的功率输出；在风速较低时，通过增大桨距角减小风能捕获，以避免过度捕获风能导致发电机组振动和疲劳损坏。

变桨距控制的概念和意义变桨距控制系统的基本结构变桨距控制系统主要由传感器、控制器和执行器组成。

传感器负责监测风速、风向和发电机组运行状态；控制器根据传感器信号和预设的控制逻辑对执行器进行指令输出；执行器根据指令调整桨叶的桨距角。

变速变桨距风力发电系统功率优化与控制方法研究现代社会能源问题日渐严重和生态环境问题频发,开发利用可再生能源对改善生态问题有着极为重要的作用。

其中风能具有分布广泛、储量丰富和利用方便等特点,成为现阶段发展速度最快和最具有发展前景的可再生能源之一。

风电技术中风力发电系统的功率优化与控制方法研究也成为研究的重点。

选用双馈风力发电系统为研究对象,通过分析风力发电系统的基本组成结构和运行状态,提出了全风速段双模控制策略。

并且建立了变速变桨距风力发电系统的数学模型和模拟风速的仿真模型,为验证控制策略的有效性提供仿真环境。

针对风力发电系统在额定风速以下运行时的最大风能捕获问题,分别采用爬山搜索法和改进极值搜索法进行风电系统的最大风能捕获控制。

改进极值搜索法通过运行点相位信息来进行搜索,并通过改进积分器实现变步长快速追踪稳定运行的控制目标。

仿真结果表明:改进极值搜索法能够使系统快速地跟踪风速变化,保持最佳叶尖速比,提高了风能利用系数和风能的利用效率。

针对风力发电系统在额定风速以上运行时保持恒功率运行问题,分别采用常规PID和模糊自适应PID变桨距控制。

通过模糊控制器来实时整定PID控制器的三个参数,提高了变桨距控制系统的动态响应特性,使系统的输出功率更加稳定,同时降低了系统的机械载荷,保证了风电系统的平稳安全运行。

针对风力发电系统的功率优化与控制问题,提出了在全风速段以两种控制模式运行的控制策略。

对风力发电系统的运行风况进行以额定风速为准的高低两种风况的判别,低风速段采用基于改进极值搜索法的最大风能捕获控制;高风速段采用基于模糊自适应PID变桨距控制。

通过仿真效果来看,针对不同的风况条件,实现了风力发电系统功率的优化与控制,能够使系统快速响应,有效提高了风能利用效率和恒功率运行的稳定性,既提高了风力发电系统经济效益又保证了安全稳定运行。

图36幅;表8个;参44篇。