風力發電變槳控制系統設計研究

馮曉超 詹云霄

摘 要 如今，風力發電十分普遍，為保障電力供應充足做出了極大貢獻。在此環節，相關工作人員極為重視風力發電的變槳系統控制工作。基于此，本文著眼于雙饋異步發電機，對此類發電機組的特性進行了分析，并對其變槳控制系統設計要點進行了論述，希望能為相關工作人員帶來參考。

關鍵詞 風力發電;變槳控制系統;系統設計;發電機組

前言

風力發電機組是實現風能與電能轉換的重要裝置，對發電機組進行深入研究更有助于提高其運行效率。因此，在實踐工作中相關工作人員應該對雙饋異步發電機的變槳控制系統加以研究，進而實現該系統的優化設計，為保證雙饋異步發電機的有效運行奠定基礎。

1雙饋異步發電機組概況

雙饋異步發電機是一種十分常見的風能發電機組，其整體由五大裝置和四大系統構成，其中變槳控制系統是機組的核心所在。此類型發電機組具備局部功率變頻的特點，所以當其出現電壓跌落時極容易引發脫網問題[1]。在雙饋異步發電機組運行環節，主要以風輪捕獲風能，該裝置是風機的重要部件，其運行有效性將會對發電機組的能量轉換效率產生直接影響。當葉片處于最佳槳距角位置時，可跟蹤最大風能，風輪吸收功率與風速成正比關系，發電機組將基于定將距模式運行。

現階段，雙饋異步發電機組變槳距控制技術具備明顯的啟動和制動特性。若在雙饋異步發電機變槳控制系統的調節之下機組變槳距離與啟動條件相符，則風輪的啟動力矩數值越高，越有助于定槳距系統的機組啟動。而且，為避免風力發電機組脫網而對電網產生沖擊，在脫網時應將發電機組功率為0。從雙饋異步發電機組的角度來看，機組在基于額定風速以上運行時，變槳控制系統最為重要的功能就是可對機組吸收的能量多寡進行有效調節，進而始終保持輸出功率與額定功率點持平。

2雙饋異步發電變槳控制系統設計

在變槳控制系統設計環節，設計人員大多選用Bladed軟件和MATLAB軟件作業，前者可幫助設計人員構建完整的風機線性化模型，而后者則可以對發電機的控制機器進行合理設計，還能有效校對控制器時間和頻率[2]。基于此，本文對以MATLAB軟件開展的發電機變槳控制系統設計進行了分析。

2.1 變槳控制器設計

MATLAB軟件是一種可用于算法開發和數據可視化的商業數學軟件，將其應用能在變槳控制器設計環節十分可行。在設計環節，應該先建立變槳控制系統的模型，當風速不同時不同模型間也存在較大差異。因此，在設計控制器時，應該依照不同風速進行分別設計。比如，分別設計12m/s、14m/s、18m/s和22m/s風速下的控制器。此時，需要先利用MATLAB軟件將變槳控制器的控制對象模型進行合理導出而后在開展設計工作。此時，可將變槳控制器的傳遞函數設為：

在此環節，應該變槳系統控制模型的響應曲線特性加以重視。若在統一控制器之下，基于不同風速的變槳系統模型的響應曲線特性之間存在較大差異。其根本原因是當風速高于額定值時，風速越大所引發的風機動態模型響應越大。所以，應該分別設計控制器。

2.2 低電壓穿越時的變槳控制器設計

低電壓穿越即LVRT，意味著即便大電機組并網點的電壓跌落，其依舊可不脫網運行，而且還能在此期間為電網供應無功功率，進而輔助電網恢復正常。從本質上來說，LVRT屬于發電機組并網運行環節的特殊運行功能要求，在不同地區這一要求的具體內涵大相徑庭，在實際作業環節需要依照具體要求保持發電機組不脫網運行。

（1）控制對象模型

設計LVRT控制器的根本目的，是解決因電壓跌落而導致的功率波動和超速問題，要基于變槳PI控制器來保證低電壓穿越環節的發電機組能不出現大幅度功率波動，并且可迅速恢復功率。在此環節，需要明確風力發電機組的傳動鏈運動方程：

在此環節，，以TL代表風輪所提供的拖動轉矩;Jg代表發電機的轉動慣量;同時以Dg表達阻轉矩阻尼系數，且該系數與轉速為正比關系;以Kg表示扭轉彈性轉矩系數，并以N表示齒輪箱速比。

（2）控制系統設計

在雙饋異步發電機變槳控制器運行環節，系統以機械扭矩、發電機電磁扭矩和轉速為輸入，以發電機實際轉速為輸出，系統將基于PI控制器來調整風輪扭矩和轉速的差值，進而獲取槳距角指令，在限幅后將指令輸入變槳執行器，以達到改變實際扭矩和發電機轉速的效果。在此環節，變槳動作將依照變槳執行器的指令而行。

基于風力發電機的特性，在變槳系統的PI控制器中引入風力機輸出的機械轉矩和電磁轉矩，可以設計出變參數PI控制器。基于公式：

可分別得到控制器參數Kp和Ki。而后可將風力機輸出的機械轉矩和發電機電磁轉矩之差設定為e，則控制器的參數將會跟隨e而不斷變化。當發生電壓跌落時，Te數值將會快速下降，則此時PI參數會隨之擴大，這代表著系統需要輸出大槳距角來減小e;反之，在電壓恢復時，e的數值會快速降低，那么TL和Te之間的差異將不斷縮小，則PI參數也會減小，系統快速輸出的槳距角指令會相對較小。鑒于轉矩差值的大小與電壓跌落幅度關系緊密，在設計控制器時就必須進行更加全面的考量，使其具備良好的控制能力，能有效抑制機組轉速上升和功率波動大的問題。在雙饋異步發電機變槳控制系統設計環節，引入扭矩誤差可以提升系統的控制性能，讓系統運行更具有效性。此外，在對控制系統設計時，設計人員還應該牢記變亂系統的最終槳距角指令，應該與轉速反饋變槳控制器和功率補償變槳控制器的指令和相同。而且，當出現電壓跌落時，LVRT變欒控制器需要及時提供槳距角指令。

3結束語

總而言之，對于雙饋異步發電機組而言，變槳控制系統是其核心裝置，該系統的正常運行可以保障發電機組正常發電。因此，在開展雙饋異步發電機變槳控制系統設計環節，相關工作人員應該做好變槳控制器設計和低壓穿越環節的變槳控制器設計，為保障其運行有效性提供輔助。

參考文獻

[1] 王海.雙饋異步風力發電機組變槳距控制研究[D].淮南：安徽理工大學，2018.

[2] 王海晶.永磁直驅風力發電機組的失速和變槳混合控制策略研究[D].呼和浩特：內蒙古工業大學，2018.