基于Simulink的風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)仿真研究

陳功貴， 黃山外， 郭艷艷， 唐賢倫

(1. 重慶郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院 復(fù)雜系統(tǒng)分析與控制研究中心， 重慶 400065；2. 武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車車輛工程系, 湖北 武漢 430205)

虛擬仿真技術(shù)探索與實(shí)踐

基于Simulink的風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)仿真研究

陳功貴1， 黃山外1， 郭艷艷2， 唐賢倫1

(1. 重慶郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院 復(fù)雜系統(tǒng)分析與控制研究中心， 重慶 400065；2. 武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)車車輛工程系, 湖北 武漢 430205)

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組復(fù)雜、非線性的特點(diǎn)，建立了完整的風(fēng)電機(jī)組變槳距模型，并運(yùn)用Matlab/Simulink強(qiáng)大的功能對(duì)其進(jìn)行仿真研究。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，在Simulink環(huán)境下搭建了系統(tǒng)仿真模塊，并在給定風(fēng)速下對(duì)不同PID參數(shù)的變槳距控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:參數(shù)的設(shè)置決定了系統(tǒng)性能的好壞，合適的參數(shù)選取能使系統(tǒng)獲得較好的動(dòng)態(tài)特性。利用Simulink進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，能促進(jìn)學(xué)生對(duì)風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的理解，提高學(xué)生的仿真能力，使學(xué)生掌握變槳距控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)； 變槳距控制； 仿真； 動(dòng)態(tài)特性

1 研究風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)的意義

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)電機(jī)組多變量、非線性的特點(diǎn)，給風(fēng)電機(jī)組的變槳距控制帶來了很大的困擾。變槳距控制系統(tǒng)對(duì)于給定風(fēng)速情況下維持發(fā)電機(jī)額定輸出功率是非常重要的[1]。保證變槳距控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得電力系統(tǒng)能夠安全、有效地運(yùn)行，是研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵問題[2-4]。

風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)性能的好壞很大程度上取決于變槳距控制器的控制規(guī)律及參數(shù)設(shè)置，找到合適的控制器參數(shù)是變槳距控制的另一個(gè)難題[5]。進(jìn)行單純的物理建模不僅會(huì)增加資源的消耗，而且不能隨意改變控制器的參數(shù)，Simulink將仿真模型模塊化，其高效率、低消耗的特點(diǎn)在風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)中得到體現(xiàn)。

Matlab作為目前計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)中最有效、最實(shí)用的工具，已在國內(nèi)外的風(fēng)力發(fā)電專業(yè)教材中得到普遍選用，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和處理提供了有效的平臺(tái)。Simulink作為Matlab中的動(dòng)態(tài)仿真工具，只需建立仿真模快并設(shè)置模塊的參數(shù)就可以得到仿真結(jié)果[6-9]。筆者搭建Simulink仿真模塊，在給定風(fēng)速的條件下改變PID控制器[10]的參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到了不同參數(shù)設(shè)置下的變槳距控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析與處理。

將Simulink仿真融入風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生可以把所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到仿真實(shí)驗(yàn)中，這不僅能讓學(xué)生很好地理解變槳距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及能量轉(zhuǎn)換的原理，還能增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力[11]。此外，Simulink中詳細(xì)的仿真圖和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析能力，這種理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式能有效提高教學(xué)質(zhì)量[12]。

2 風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)綜合空氣動(dòng)力學(xué)特性、機(jī)械特性和電氣特性的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型對(duì)研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及其控制規(guī)律具有重要意義。筆者將風(fēng)電機(jī)組模型分為風(fēng)輪模型、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型和異步發(fā)電機(jī)模型等3部分。

2.1 風(fēng)輪模型

風(fēng)輪的作用是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。設(shè)輸入風(fēng)速為v(m/s)，風(fēng)輪的吸收功率P和氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tr為:

式中，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，CT為氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；λ為葉尖速比，β為槳距角，ρ為空氣密度，R為風(fēng)輪半徑。在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)能利用系數(shù)Cp被認(rèn)為是由葉尖速比λ和槳距角β共同決定的二元函數(shù)，可用以下公式來表示:

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型

本文采用非直驅(qū)式異步發(fā)電機(jī)組，在忽略異步發(fā)電機(jī)自身機(jī)械阻力和系統(tǒng)阻力的情況下，分別給出靠近風(fēng)輪的低速軸和靠近發(fā)電機(jī)的高速軸的動(dòng)態(tài)方程

式中，Jr是風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Jg是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωr是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，n是齒輪箱增速比；Tr是風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩，Tm是發(fā)電機(jī)軸機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Te為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，由此式可得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方程為

2.3 發(fā)電機(jī)模型

本文以理想狀態(tài)下的異步發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，不考慮導(dǎo)線、鐵芯的集膚效應(yīng)及磁滯、渦流等因素的影響，定子和轉(zhuǎn)子繞組在氣隙中都產(chǎn)生三相對(duì)稱且正弦分布的磁通，則異步發(fā)電機(jī)模型可表示為:

式中，p是發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)，m是相數(shù)，U1為定子額定相電壓，C1是修正系數(shù)，ω0是電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，r1、x1分別是定子繞組等效電阻和電抗，r2、x2分別是轉(zhuǎn)子繞組等效電阻和電抗。

3 風(fēng)電機(jī)組Simulink仿真模塊

在Simulink環(huán)境中建立風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)仿真模塊如圖1所示。其中，控制系統(tǒng)包括葉尖速比、PID控制器、風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)能氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)等6個(gè)子模塊。

在給定風(fēng)速工況下，利用發(fā)電機(jī)額定功率與系統(tǒng)輸出功率的誤差對(duì)槳距角進(jìn)行PID控制。分別改變不同的PID參數(shù)數(shù)值并觀察系統(tǒng)輸出功率隨之而發(fā)生的變化。變槳距控制系統(tǒng)PID控制器仿真模塊如圖2所示。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在工程應(yīng)用中,風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳距控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性是必須進(jìn)行的測試項(xiàng)目，這關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全及電能質(zhì)量。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中，根據(jù)建立的風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型搭建仿真模塊，并在給定風(fēng)速工況下，改變PID控制器參數(shù)來觀察系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及仿真圖對(duì)系統(tǒng)作出具體分析。仿真實(shí)驗(yàn)所用的風(fēng)力機(jī)組參數(shù)如表1所示，異步發(fā)電機(jī)參數(shù)如表2所示，相關(guān)參數(shù)來源于德國Nordex公司S70/1500 kW風(fēng)力機(jī)組。

圖1 風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)仿真模塊

圖2 變槳距控制系統(tǒng)PID控制器仿真模塊

表1 風(fēng)力機(jī)參數(shù)

表2 異步發(fā)電機(jī)參數(shù)

如表3所示，Case 1中PID參數(shù)來自多次整定后的結(jié)果，而Case2到Case7為在Case1的基礎(chǔ)上分別改變Kp、KI、KD數(shù)值而設(shè)的仿真案例。表3中所有的案例都是在給定風(fēng)速輸入為階躍信號(hào)下進(jìn)行的。

表3 不同PID參數(shù)取值的仿真結(jié)果

表3(續(xù))

圖3為改變KP數(shù)值時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率及槳距角的仿真圖。從圖中可以看出，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后的變槳距控制器(Case 1)對(duì)系統(tǒng)性能控制良好，受到風(fēng)速擾動(dòng)后，系統(tǒng)具有較小的超調(diào)量，并迅速作出響應(yīng)，向穩(wěn)定值恢復(fù)的速度也較快，發(fā)電機(jī)輸出功率最大值Pmax為0.9182 MW，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間Ts=4.781 0 s，槳距角最大值βmax=38.378 5°。當(dāng)Kp取值較大時(shí)(Case 2)，系統(tǒng)雖然沒有超調(diào)，但出現(xiàn)了較嚴(yán)重的毛刺現(xiàn)象。當(dāng)Kp取值較小時(shí)(Case 3)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度降低，響應(yīng)速度也極為緩慢。

圖3 改變KP數(shù)值的仿真結(jié)果

從圖4可以看出，當(dāng)KI取值過大時(shí)(Case 4)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差得到消除，但會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)。KI取值過小時(shí)(Case 5)，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。

從圖5可以看出，當(dāng)KD取值過大或過小(Case 6或Case 7)時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量都增大，調(diào)節(jié)時(shí)間都變長。

圖4 改變KI數(shù)值的仿真結(jié)果

圖5 改變KD數(shù)值的仿真結(jié)果

5 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)綜合了多種專業(yè)技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，在Matlab/Simulink環(huán)境下的仿真結(jié)果表明，PID控制器參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)性能影響很大。選取合適的PID參數(shù)，能有效改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使變槳距控制系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后能夠快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而提高輸出電能的質(zhì)量。筆者將Simulink仿真實(shí)驗(yàn)引入課程教學(xué)中，不僅能更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題能力。Simulink實(shí)驗(yàn)結(jié)果中豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真圖形，能使學(xué)生更直觀地理解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，并對(duì)PID參數(shù)變化而引起的風(fēng)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)性能的改變有更加深刻的認(rèn)識(shí)。

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ProbeintosimulationofvariablepitchcontrolsystemforwindturbinesbasedonSimulink

Chen Gonggui1, Huang Shanwai1, Guo Yanyan2, Tang Xianlun1

(1. Research Center on Complex Power System Analysis and Control, College of Automation, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065,China; 2.Department of Locomotive and Vehicle Engineering, Wuhan Railway Vocational College of Technology, Wuhan 430205,China)

Matlab/Simulink, which has strong functions, is used in dynamic simulation research for the complex nonlinear variable pitch control system. Based on the mathematical model of wind turbines, the simulation modules are built in Simulink environment. Under the condition of a given wind speed, the simulation experiments are carried out for the variable pitch control system with different PID parameters. The experimental results manifest that the parameters determine the performance of the system and the suitable parameter selection can make the system to achieve better dynamic performance. The simulation experiment with Simulink can not only promote students’ understanding of theoretical knowledge; but also improve their ability of simulation so as to grasp the structure and properties of variable pitch control system further.

wind turbine; variable pitch control; simulation; dynamic characteristics

2015- 01- 30

重慶郵電大學(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目(XJG1416)；重慶市高等教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目(132016)

陳功貴(1964—)，男，重慶，博士，教授，主要從事電氣工程專業(yè)的教學(xué)和科研工作.

E-mail：chenggpower@126.com

TM614;G

A

1002-4956(2015)8- 0105- 04