基于智能控制的直驱风电机组模拟实验平台及算法研究

摘 要：本文设计一套2kW直驱型风电机组模拟实验系统，可以仿真各种风况下直驱风电机组运行特性。针对直驱风电机组，提出了基于Matlab优化的变增益变桨控制策略。算例分析表明所提控制算法能够起到抑制转速超调的作用。

关键词：风电机组；实验系统；变增益变桨控制

1 简介

通过直驱机组实验系统，不仅可以降低不成熟控制实验安全隐患的风险，也可以解决实际风场中由于风速随机性难以开展实验的问题［13，5］。

2 实验系统的结构

本文设计一套由PLC主控系统、模拟风轮系统、永磁发电机系统、操作面板系统组成的2kW直驱机组物理实验系统。如图1所示，操作面板系统主要进行模式切换、启动、停机等工作。PLC主控系统主要进行智能算法运行，发出操作指令。模拟风轮系统主要接受PLC或操作面板发出的操作指令，产生响应并反馈给PLC。永磁发电机系统主要由拖动电机与永磁发电机机械组成。

3 算法设计

主程序控制流程如图2所示，智能算法由电磁转矩控制、桨距角控制和滤波器三部分组成。

3.1 电磁转矩控制

直驱型发电机电磁转矩方程［4］：

Te=32n·φPM·isq（1）

式（1）中，φPM为永磁体产生的磁链，isq为q轴电流，n为发电机转子的极对数。电磁转矩Te与q轴电流分量成正比关系。按照预先设定的工作点计算出电磁转矩Te，再反推出isq。

如图3所示，当机组在高于额定工作点运行，机组电磁转矩Te维持在额定转矩点。在额定工作点以下运行，电磁转矩Te在线ABCD上运行［68］。

当转速位于BC段时风电机组追踪最佳叶尖速比λopt。

Kopt=ρπR5Cpmax2λopt3G3（2）

Topt=Koptω2（3）

式中，ω为发电机角速度；R为叶轮半径；G为齿轮箱速比；Kopt为转矩最佳控制系数［911］。

3.2 桨距角控制

当来流风速低于额定风速时，风电机组桨距角追踪最优桨距角；高于额定风速时，通过变增益PI控制使控制器参数追踪桨距角［912］。

PI变换传递函数：

Cs=β（s）ωerr（s）=Kp2+Ki2s（4）

式中，Kp2和Ki2为PI系数。

直驱式风电机组模型的SYSTURB结构通过Bladed中的线性化处理得到，以下方程系数矩阵即为该结构的A、B、C、D矩阵。

x·=Ax+Bu（5）

y=Cx+Du（6）

A=x·1x1 x·1x2 … x·1xn

x·nx1 x·nx2 … x·nxn B=x·1u1 x·1u2 … x·1um

x·nu1 x·nu2 … x·num（7）

C=y1x1 y1x2 … y1xn

ypx1 ypx2 … ypxnD=y1u1 y1u2 … y1um

ypu1 ypu2 … ypum（8）

高于額定风速时，通过计算每个风速点的参量Kp2和Ki2的最优值来实现风电机组变增益桨距角控制，保证发电机稳定输出额定功率。

3.3 滤波器

机组转速在运行中受风速影响随时变化，为减少冗余动作所采用低通滤波器形式为：

11+2ξsω+s2ω2（9）

4 计算结果对比分析

4.1 正常湍流模型

正常湍流模型下，平均风速为8m/s时控制算法结果与Bladed仿真对比如图4所示。

图4（a）为桨距角对比，低于额定风速时，两个仿真计算的桨距角都保持在最佳桨距角不变。

图4（b）为发电机转矩对比，可以看到与Bladed仿真得到的转矩相比，所提算法算的转矩更加平滑。因为引入滤波器减少了冗余动作。

图4（c）为发电机转速对比，可以看出PLC控制与Bladed仿真得到的转速基本一致。

图4（d）为发电量对比，可以看到控制算法仿真的发电量比Bladed仿真的发电量更加平滑。因为功率为转速与转矩的乘积，当转速一致时，转矩控制越平滑则功率控制越平滑。

4.2 极端相干阵风

风况：在5s内风速从13m/s提升到21m/s。

图5（a）为桨距角对比，与Bladed模拟仿真的桨距角相比控制算法所得的桨距角提前变化。这是由于不同控制算法下PI增益不同。

图5（b）为发电机转矩对比，可以看到高于额定风速时转矩均为额定转矩。与图3相一致。

图5（c）为发电机转速对比，与Bladed仿真结果相比控制算法计算的转速曲线与机组额定转速的偏差更小。说明所提变增益PI控制有效地规避了超速现象的发生。

图5（d）为发电量对比，与Bladed仿真结果相比控制算法计算的发电量与额定功率的偏差更小。因为功率为转速与转矩的乘积，转矩相同的情况下，转速越接近额定转速，输出功率越接近额定功率。

5 结论

本文设计了一套2kW直驱机组实验平台。该平台可以仿真模擬各种复杂风况下风电机组的运行特性；研究了最大风能追踪控制算法和变增益变桨控制算法；通过对比所提控制算法与Bladed仿真结果，证明了所提控制策略的有效性。

参考文献：

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［8］邢作霞，陈雷，徐健，等.大型变速变距风电机组转矩控制策略研究［J］.太阳能学报，2012，33（5）：738744.

［9］王斌，吴焱，丁宏，等.变速变桨距风电机组的高风速变桨距控制［J］.电力自动化设备，2010，30（8）：8183.

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［12］马蕊，鄂春良，付勋波，等.兆瓦级变速恒频风电机组变速变桨距控制技术研究［J］.电气传动，2010，40（4）：710.

作者简介：韦桥斌（1981— ），男，广西百色人，学士，中级工程师，研究方向：风力发电机组智能预警诊断。