模糊PID變槳距控制器研究

王馨凝，夏加寬，盧奭瑄

(1.沈陽(yáng)市信息工程學(xué)校，遼寧 沈陽(yáng) 110122;2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

1 引言

由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具備環(huán)保性高、單機(jī)容量大、系統(tǒng)控制可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，已成為電力系統(tǒng)新興的重要發(fā)展方向之一［1］。然而，風(fēng)能是一種隨機(jī)性能源，風(fēng)速脈動(dòng)往往導(dǎo)致風(fēng)機(jī)系統(tǒng)輸出功率脈動(dòng)。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)片葉的氣動(dòng)非線性，以及系統(tǒng)參數(shù)的不確定性和機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程的復(fù)雜性，給風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)建模帶來(lái)了很大難度［2，3］。因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳距控制的研究顯得尤為重要。

本文在分析變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，提出一種在高風(fēng)速范圍內(nèi)，采用變槳控制方式，來(lái)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定的控制策略，即采用PI變槳距控制方式來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)某1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)的仿真計(jì)算，驗(yàn)證了所提出的控制策略，能夠起到穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)矩效果。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是工作在不可預(yù)知的風(fēng)速環(huán)境條件下，并且有著嚴(yán)格的并網(wǎng)苛求的復(fù)雜系統(tǒng)，風(fēng)力機(jī)組的動(dòng)態(tài)方程為:

式中，J為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度;Tv為風(fēng)輪獲取的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩;Te為發(fā)電機(jī)的反力矩。

其中:ρ為空氣密度;A為槳葉掃掠面積;Cp為風(fēng)能利用系數(shù);λ為葉尖速比;β為槳距角;V為風(fēng)速;Tv為氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩;ω 為風(fēng)力機(jī)主軸轉(zhuǎn)速［4，5］。

在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，用風(fēng)能利用系數(shù)Cp來(lái)描述風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用率，并且可以看作為葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)關(guān)系。變速變槳風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp可以看作葉尖速比λ和槳葉的節(jié)距角β的函數(shù)關(guān)系，由文獻(xiàn)［6］可知:

由Cp的關(guān)系式可以看出，可以通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角β降低風(fēng)能利用系數(shù)Cp，從而將風(fēng)力機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速ω穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速ω0。在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，通過(guò)變速恒頻裝置，風(fēng)速變化改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使風(fēng)能利用系數(shù)恒定在Cpmax，控制發(fā)電機(jī)輸出頻率穩(wěn)定;在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角從而改變發(fā)電機(jī)輸出功率，使輸出功率穩(wěn)定在額定功率。

3 變槳PI控制器設(shè)計(jì)

由前面公式論述可知，由于Cp是β、λ的非線性函數(shù)關(guān)系，因此對(duì)式(1)進(jìn)行線性化。線性化的工作點(diǎn)選取在β為0時(shí)風(fēng)力機(jī)工作的最優(yōu)位置。簡(jiǎn)化了模型。這點(diǎn)是對(duì)應(yīng)額定風(fēng)速時(shí)的額定功率點(diǎn)。并取變速發(fā)電機(jī)反力矩為恒值［6］。

其中系數(shù)為:

變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)分析:

式中:Ts為變槳伺服執(zhí)行時(shí)間;β0為槳距角給定值。仿真過(guò)程可以定義為:βa(s)=Mβd(s)，其中M為執(zhí)行過(guò)的傳遞函數(shù)。

基于上面的分析可以得到:

其中的K為過(guò)程系數(shù)。系統(tǒng)的線性關(guān)系圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)的線性化關(guān)系框圖

4 實(shí)際算例分析

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)某1.5MW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)，槳葉半徑為34m;空氣密度為1.225kgm3;額定風(fēng)速12m/s;切出風(fēng)速25m/s;風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速20;發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩8600Nm;風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3.8×106kgm2;齒輪箱變比90;變槳器響應(yīng)時(shí)間0.05s。對(duì)前文介紹的風(fēng)力機(jī)在高于額定風(fēng)速區(qū)設(shè)計(jì)的PI變槳控制器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。假定風(fēng)能利用系數(shù)Cp總能控制在最優(yōu)點(diǎn)。

圖2 變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)PI控制器MATLAB仿真結(jié)果

從圖2中可以看出，風(fēng)電系統(tǒng)在高風(fēng)速區(qū)，可以通過(guò)對(duì)槳葉節(jié)距角的調(diào)節(jié)，控制柜主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩的目的。仿真結(jié)果表明，PI變槳控制器能達(dá)到預(yù)先控制要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的分析，設(shè)計(jì)了一種PI槳距角控制器。理論分析和仿真結(jié)果表明該控制器具有以下特點(diǎn):第一，該控制器可以在較大風(fēng)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，有助于提高電網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定性;第二，該控制器對(duì)參數(shù)不確定性、風(fēng)速隨機(jī)變化、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)和其他非參數(shù)化不確定性具有較強(qiáng)的魯棒性。

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