孔朝志，付小林，馮永剛
(成都阜特科技股份有限公司, 四川省成都市 611731)
摘要:介紹了兆瓦級(jí)變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制算法的實(shí)現(xiàn)過程，根據(jù)風(fēng)機(jī)的非線性特征，提出了一種通過模型線性化和狀態(tài)空間方程最小實(shí)現(xiàn)整定控制算法參數(shù)的方法。再利用MATLAB/Simulink強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能對(duì)主要控制環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)及參數(shù)調(diào)整，并通過BLADED外部控制器模塊對(duì)完整的控制算法進(jìn)行了仿真研究。與常規(guī)控制算法相比，使用該方法設(shè)計(jì)的參數(shù)在控制過程中同時(shí)兼顧到風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性與穩(wěn)定性，有效提高機(jī)組的運(yùn)行性能。
關(guān)鍵詞: 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組; 變速變槳距；控制算法；參數(shù)整定；仿真
0 引言
隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，變速變槳距控制技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組控制的主要方式，利用該技術(shù)可以提高捕獲風(fēng)能效率，獲得最佳能量輸出。風(fēng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境是復(fù)雜多變的，對(duì)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)過程的控制，首先需要建立其非穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力模型，然后利用該模型來設(shè)計(jì)整機(jī)控制策略，最后再借助相關(guān)軟件對(duì)風(fēng)機(jī)整個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。不僅要實(shí)現(xiàn)功率輸出最大化，還應(yīng)該盡可能減小風(fēng)機(jī)相關(guān)部件的載荷[1-3]。
因此，本文通過對(duì)大型變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性的分析，提出一種以獲取最大能量轉(zhuǎn)換效率為目的的控制算法，該算法能同時(shí)兼顧到控制過程良好的動(dòng)態(tài)特性與穩(wěn)定性，并將機(jī)組結(jié)構(gòu)在自然風(fēng)作用下引起的動(dòng)力學(xué)問題及其疲勞影響程度降到最低。
1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型
1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性分析
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性是構(gòu)成機(jī)組各部件的動(dòng)態(tài)特性的總和，它包括風(fēng)輪的空氣動(dòng)力學(xué)特性和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性、傳動(dòng)鏈動(dòng)態(tài)特性、發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性及控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，如圖1所示。
已設(shè)計(jì)定型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其動(dòng)態(tài)特性是確定的，即對(duì)于任何給定的輸入，它有一個(gè)確定的輸出響應(yīng)。如果輸入是恒定的，我們可以通過設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)具有最佳輸出；如果輸入是變化的，我們希望系統(tǒng)能根據(jù)變化來進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使系統(tǒng)保持最佳輸出?？刂葡到y(tǒng)的目的就是盡量保持系統(tǒng)的輸出在所期
望的范圍之內(nèi)。
圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性
Fig. 1 Dynamic characteristics of wind turbine
1.2 模型線性化
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，直接采用其非線性模型進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，有較大的難度，控制效果會(huì)不太理想。因此，控制算法實(shí)現(xiàn)的起點(diǎn)是建立風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的線性化模型[4]，在此基礎(chǔ)上再評(píng)估設(shè)計(jì)的控制算法的性能和穩(wěn)定性。通常，在應(yīng)用于實(shí)際風(fēng)電機(jī)組之前，控制器要進(jìn)行三維湍流風(fēng)輸入的仿真驗(yàn)證。當(dāng)變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以下運(yùn)行時(shí)，通過PI控制器得到給定轉(zhuǎn)矩便可實(shí)現(xiàn)平滑控制，轉(zhuǎn)矩控制器的線性化模型也比較簡(jiǎn)單。必須包括傳動(dòng)鏈的旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)特性，其他動(dòng)態(tài)特性可以忽略。對(duì)于變槳控制器的線性化模型，至少應(yīng)包括以下動(dòng)態(tài)特性：轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)、塔筒的前后振動(dòng)、速度傳感器響應(yīng)、變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)等。
BLADED是廣泛應(yīng)用于風(fēng)電行業(yè)的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，具有非常強(qiáng)大的計(jì)算和仿真功能。其中，軟件的模態(tài)線性化模塊使用了葉片和塔架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的模態(tài)表示法，能有效建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。因此，利用BLADED軟件可以進(jìn)行模型線性化計(jì)算[5]，具體的參數(shù)設(shè)置如下圖所示。
a 模態(tài)分析參數(shù)
b 模型線性化計(jì)算參數(shù)
圖2 模型線性化參數(shù)設(shè)置
Fig. 2 Calculation parameters setting in the linearized models
從圖2中可以看出，模態(tài)分析參數(shù)主要是選擇風(fēng)輪、塔架等部件模態(tài)。對(duì)于風(fēng)輪模態(tài)，主要是考慮所用擺振和揮舞的模態(tài)數(shù)量，一般平面外模態(tài)最多6個(gè)，平面內(nèi)模態(tài)最多5個(gè)。另外，風(fēng)輪模態(tài)還需要考慮槳距角數(shù)量和大小，槳距角可以自由設(shè)置，一般是選擇4個(gè)。對(duì)于塔架模態(tài)，需要考慮前后和左右模態(tài)數(shù)量，通常是各取2個(gè)，至于風(fēng)輪方位角的選擇，可忽略不計(jì)。模型線性化計(jì)算參數(shù)主要是設(shè)置風(fēng)速運(yùn)行點(diǎn)和風(fēng)輪方位角運(yùn)行點(diǎn)，風(fēng)速擾動(dòng)、槳距角擾動(dòng)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)等是通過點(diǎn)擊Set default perturbations獲取。
1.3 控制模型生成
模型線性化計(jì)算完成后，利用BLADED提供的后處理功能，可將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間模型，其格式為mat文件，這種形式的多輸入多輸出系統(tǒng)可以直接在MATLAB下進(jìn)行分析，便于風(fēng)電機(jī)組控制算法的設(shè)計(jì)。
狀態(tài)空間模型[6]不僅能反映系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)，而且能揭示系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)與外部的輸入和輸出變量的聯(lián)系，還可以將多個(gè)變量時(shí)間序列處理為向量時(shí)間序列，這種從變量到向量的轉(zhuǎn)變更適合解決多輸入輸出變量情況下的建模問題。狀態(tài)空間表達(dá)式可以完整描述控制系統(tǒng)的全部信息，其向量矩陣形式如下：
(1)式中， 是輸入向量， 是系統(tǒng)狀態(tài)向量， 是輸出向量， 為狀態(tài)矩陣， 為輸入矩陣， 為輸出矩陣， 為直接轉(zhuǎn)移矩陣。實(shí)際上，狀態(tài)空間表達(dá)式就是由狀態(tài)方程和輸出方程構(gòu)成。利用如下所述的函數(shù)可將狀態(tài)空間方程矩陣轉(zhuǎn)化為風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的線性時(shí)不變數(shù)學(xué)模型。
(2)式中，SYSTURB.A、SYSTURB.B、SYSTURB.C和SYSTURB.D表示不同運(yùn)行點(diǎn)的狀態(tài)空間矩陣，SYSTURB.inputname和SYSTURB.outputname分別表示控制系統(tǒng)模型的輸入變量名稱和輸出變量名稱，SYSTURB.statename代表控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量名稱。在BLADED中，系統(tǒng)的輸入變量有3個(gè)：風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定和槳距角給定，這是軟件設(shè)置好的，不可更改。而系統(tǒng)的輸出變量則可以根據(jù)算法設(shè)計(jì)需求自行定義。狀態(tài)變量代表風(fēng)機(jī)各部件機(jī)械狀態(tài)的響應(yīng)，具體的數(shù)量取決于各部件模態(tài)選擇，數(shù)量越多則表示系統(tǒng)考慮的動(dòng)態(tài)特性越多。
2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本工作原理
2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性
風(fēng)力發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換過程包含兩部分，先是由風(fēng)能轉(zhuǎn)換到機(jī)械能，然后再?gòu)臋C(jī)械能到電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片在自然風(fēng)作用下產(chǎn)生推力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，通過輪毅將扭矩輸送到傳動(dòng)鏈系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)再利用電磁感應(yīng)原理將傳動(dòng)鏈系統(tǒng)獲得的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。通常，風(fēng)機(jī)從風(fēng)能捕獲到的機(jī)械能功率可表示為[7]：
(3)
(4)式中， 為空氣密度， ； 為風(fēng)輪半徑， ； 為輪轂高度處風(fēng)速， ； 為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速， ； 為機(jī)組的發(fā)電效率，主要是考慮機(jī)械損耗和電氣損耗后的機(jī)組發(fā)電效率。 為風(fēng)機(jī)的功率系數(shù)，表示風(fēng)機(jī)從自然風(fēng)能中吸取能量的大小程度，與葉片氣動(dòng)性能相關(guān)，是葉尖速比 和槳距角 的函數(shù)[7]。在不同槳距角下的 曲線如下圖所示。
圖3 風(fēng)機(jī)功率系數(shù)曲線
Fig. 3 Power coefficient curves of wind turbine
從圖3中可以看出，當(dāng)槳距角往順槳位置變化時(shí)，風(fēng)機(jī)的功率系數(shù)會(huì)慢慢減小；當(dāng)槳距角保持不變時(shí)，在最佳葉尖速比處，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用率最高。因此，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，只需調(diào)節(jié)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，使其葉尖角速度與風(fēng)速之比保持不變，就可追蹤最佳葉尖速比，繼而獲得最大功率系數(shù)[8]。這就是變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的基本目標(biāo)。
2.2 變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行區(qū)域
根據(jù)風(fēng)速的大小，大型變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行范圍可分為額定風(fēng)速以下和額定風(fēng)速以上兩個(gè)部分。具體的運(yùn)行區(qū)域[9]劃分如下圖所示。
圖4 變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行區(qū)域
Fig. 4 Operation domains of variable-speed and varia-ble-pitch wind turbine
由圖4可知，在額定風(fēng)速以下，風(fēng)機(jī)的控制過程又可分為三個(gè)不同的階段：第一階段是啟動(dòng)階段（區(qū)域1），機(jī)組在風(fēng)力作用下作機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在逐漸增加，可以一直提升到切入轉(zhuǎn)速；第二階段是變速階段（區(qū)域2），機(jī)組開始獲得能量并轉(zhuǎn)換成電能，根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能；第三階段是恒轉(zhuǎn)速階段（區(qū)域3），機(jī)組通過調(diào)節(jié)變速電機(jī)的轉(zhuǎn)矩從而控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速保持不變。在額定風(fēng)速以上，機(jī)組進(jìn)入變槳距控制（區(qū)域4），通過驅(qū)動(dòng)葉片和輪毅之間的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（即變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)）來使葉片的攻角隨著風(fēng)速的改變而改變，確保葉片在不同風(fēng)況下都處于最佳攻角，使得輸出功率在額定功率附近保持微小變動(dòng)。
3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制算法
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的基本目標(biāo)主要有三個(gè)層次：保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行，獲取最大能量，提供良好的電能質(zhì)量。控制算法的設(shè)計(jì)也是以這三個(gè)目標(biāo)位準(zhǔn)則。
3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本控制策略
風(fēng)電機(jī)組變速運(yùn)行，是通過控制發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)矩控制器在發(fā)電機(jī)氣隙中產(chǎn)生一個(gè)期望輸出的轉(zhuǎn)矩，引導(dǎo)風(fēng)機(jī)加速或減速，從而使風(fēng)輪運(yùn)行在設(shè)定的轉(zhuǎn)速附近。為了使氣隙中的給定轉(zhuǎn)矩能在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到，控制器的設(shè)計(jì)需要有較高的帶寬。圖5所示為轉(zhuǎn)矩控制器所采用的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩運(yùn)行曲線。
圖5 變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩運(yùn)行曲線
Fig. 5 Operation curves of variable-speed and varia-ble-pitch wind turbine between generator speed and torque
從圖5中可看出，在較低風(fēng)速時(shí)(圖中BC段)，通過控制發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩來控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，以使風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)最大能量捕獲；為了降低噪聲污染，風(fēng)機(jī)在額定風(fēng)速到達(dá)以前就已經(jīng)提升到額定轉(zhuǎn)速(C點(diǎn))，這時(shí)通過動(dòng)態(tài)地調(diào)整給定轉(zhuǎn)矩，以保持風(fēng)輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定值；在風(fēng)速很低的時(shí)候(圖中AB段)，也是改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出值，控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速保持在最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速；在高風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定值(D點(diǎn))，這時(shí)需要對(duì)槳距角進(jìn)行控制，通過改變?nèi)~片攻角來調(diào)整能量的吸收，從而控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。在額定點(diǎn)附近，轉(zhuǎn)矩給定值會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化作小幅調(diào)整，與轉(zhuǎn)速變化成反比，以保持輸出功率恒定在額定值。
當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)矩PI控制器根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值與實(shí)際反饋值的偏差改變給定轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速不再增加。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在額定點(diǎn)附近可以有一定的波動(dòng)，其目的是為了增加傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使得轉(zhuǎn)矩和功率在額定點(diǎn)附近變化相對(duì)平穩(wěn)。轉(zhuǎn)矩PI控制器的拉普拉斯形式如下：
(5)式中， 是比例常數(shù)， 是積分時(shí)間常數(shù)，積分增益是 / 。
當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定值，變槳距控制器就要開始工作。變槳距PI控制器根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋，確定槳距角的給定值，以維持轉(zhuǎn)速在設(shè)定點(diǎn)。其拉普拉斯形式如下：
(6)式中， 是比例增益， 是積分時(shí)間常數(shù)， 是增益系數(shù)。變槳距PI控制器的增益要根據(jù)工作點(diǎn)的變化而變化，因?yàn)闅鈩?dòng)力矩對(duì)槳距角變化的靈敏度不是線性的，在高風(fēng)速時(shí)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于額定風(fēng)速時(shí)的靈敏度[10]。因此，需要設(shè)置槳距角的增益表來實(shí)現(xiàn)PI控制器增益跟隨工作點(diǎn)變化。通過對(duì)增益的調(diào)整可以保證變槳距控制器在額定風(fēng)速到切出風(fēng)速范圍內(nèi)都具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定裕度。
3.2 狀態(tài)空間模型最小實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)最小實(shí)現(xiàn)是一種非常重要的實(shí)現(xiàn)方式，屬于現(xiàn)代控制理論中的概念[11]。由于單個(gè)系統(tǒng)可以寫成多個(gè)不同狀態(tài)空間表達(dá)形式（即實(shí)現(xiàn)），而如果系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)既可控又可觀測(cè)，則稱為系統(tǒng)的最小實(shí)現(xiàn)。所以，既可控又可觀的系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就是最小實(shí)現(xiàn)。不過，最小實(shí)現(xiàn)并不是唯一的。
利用MATLAB控制系統(tǒng)工具箱提供的minreal()函數(shù)可以直接求出給定狀態(tài)空間模型的最小實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)的調(diào)用形式為[12]：
(4)其中A，B，C，D為系統(tǒng)模型的狀態(tài)方程矩陣，tol為用戶任意指定的誤差限制，如果省略此參數(shù)，則默認(rèn)為最小值（eps）。調(diào)用此函數(shù)后，就會(huì)自動(dòng)地返回一個(gè)最小實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)方程模型Am，Bm，Cm，Dm。
然后再調(diào)用其他相關(guān)函數(shù)，就可構(gòu)建系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)矩及變槳距控制器參數(shù)進(jìn)行整定。
4 仿真運(yùn)算
本文研究對(duì)象為某公司設(shè)計(jì)的雙饋型風(fēng)電機(jī)組模型。其額定功率為1.5MW，發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1770 r/min，外部載荷仿真運(yùn)行環(huán)境選擇20 m/s的湍流風(fēng)，其變化規(guī)律如下圖所示。
圖6 20m/s湍流風(fēng)
Fig. 6 Turbulence wind at 20m/s
4.1 算法實(shí)現(xiàn)
根據(jù)前面介紹的基本控制策略，利用MATLAB /Simulink中的仿真模塊實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的控制算法設(shè)計(jì)。MATLAB軟件擁有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，利用VC與MATLAB接口可以充分發(fā)揮其數(shù)值計(jì)算功能，把復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理交給MATLAB去完成，并且可以不依賴MATLAB軟件運(yùn)行。還可利用MATLAB自帶的編譯工具將mdl文件方便的編譯成動(dòng)態(tài)連接庫(kù)文件(dll)，并可直接供BLADED軟件調(diào)用。轉(zhuǎn)矩控制器和變槳距控制器的基本框圖分別如圖7、8所示。
在圖7中可看出，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行區(qū)域的判斷是通過真值表來完成的，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和槳距角三者之間的邏輯關(guān)系就可以區(qū)分出。轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩運(yùn)行曲線中的AB段和CD段都是利用轉(zhuǎn)矩PI控
圖7 轉(zhuǎn)矩控制器
Fig. 7 Generator torque controller
圖8 變槳距控制器
Fig. 8 Pitch controller
制器來調(diào)整轉(zhuǎn)矩給定，從而控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速保持在期望值，BC段是使用最優(yōu)模態(tài)增益獲得轉(zhuǎn)矩給定值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變速運(yùn)行。
由圖8中可知，變槳控制器是否執(zhí)行變槳控制也是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩和槳距角三者之間的邏輯關(guān)系，利用真值表實(shí)現(xiàn)的。變槳距PI控制器的增益表是通過把MATLAB中擬合好的離散數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Simulink中的查找表，這樣就可使得增益系數(shù) 根據(jù)槳距角的變化而變化。
4.2 載荷仿真
BLADED軟件外部控制器模塊能使用任何期望的控制算法，因此為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)控制算法的性能，將對(duì)新控制算法與在VC下開發(fā)的常規(guī)控制算法進(jìn)行載荷仿真比較，運(yùn)行風(fēng)況為如圖6所示，下圖所示為兩種控制算法仿真效果對(duì)比。
圖9 發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速比較
Fig. 9 Generator speed comparison
圖10 發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩比較
Fig. 10 Generator torque comparison
圖11 葉片根部Y向載荷比較
Fig. 11 Y direction load comparison at blade root
在20m/s湍流風(fēng)條件下，本文所述的控制算法與常規(guī)控制算法仿真運(yùn)行結(jié)果比較，發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的波動(dòng)減輕，輸出轉(zhuǎn)矩的變化也更平穩(wěn)，且葉片根部Y方向所受力矩的波動(dòng)也減小。對(duì)于提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性、可靠性等起到關(guān)鍵的作用，延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)的使用壽命，增加了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行收益。
5 結(jié)論
控制算法的基本目標(biāo)是保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，獲取最大能量轉(zhuǎn)換效率，但同時(shí)還須兼顧到控制過程良好的動(dòng)態(tài)特性與穩(wěn)定性，并將結(jié)構(gòu)在風(fēng)力作用下引起的動(dòng)力學(xué)問題所產(chǎn)生的疲勞影響減小到最低限度。因此，本文從風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性分析開始，先討論基本工作原理，并對(duì)變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各風(fēng)速段的運(yùn)行特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在控制算法的實(shí)現(xiàn)過程中，應(yīng)用MATLAB和BLADED軟件對(duì)完整的控制算法進(jìn)行了仿真研究，驗(yàn)證了算法的可行性與有效性。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] Thomas Ackermann, Lennart soder. Wind energy technology and current status: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2000, (4):314-374.
[2] G.M.Joselin Herbert, S.Iniyan, E.Sreevalsan and S.Rajapandian. A review of wind energy technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 11, Issue 6, August 2007:1117-1145.
[3] 葉杭冶. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.
[4] 李晶,宋家驊,王偉勝.大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(6):100-105.
LI Jing, SONG Jiahua, WANG Weisheng. Modeling and dynamic simulation of variable speed wind turbine with large capaci-ty[J].Proceeding of the CSEE,2004,24(6):100 -105.
[5] E.A.Bossanyi. GH Bladed user’s manual. Garrad Hassan &Partners Limited, 2005.
[6] 包能勝,葉枝全.水平軸風(fēng)力機(jī)狀態(tài)空間模型參數(shù)辨識(shí)[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2003,24 (3):371-375.
BAO Nengsheng, YE Zhiquan. State Space Parameter Identification of The Horizontal Wind Turbine System [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2003,24(3): 371- 375..
[7] 白焰,范曉旭,呂躍剛,徐大平,楊錫運(yùn).大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制策略研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2010,34(12): 90-94.
BAI Yan, FAN Xiaoxu, LV Yuegang, XU Daping, YANG Xiyun.A Study on Dynamic Optimal Control Strategy for Large-scale Wind Power Generation System[J].Automation of Electric Power Systems,2010,34(12):90-94.
[8] 劉其輝,賀益康,趙仁德.交流勵(lì)磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行與控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2008,23 (01):129-136.
LIU Qihui, HE Yikang, ZHAO Rende. Operation and Control of AC-Exited Variable-Speed Constantl-Frequency Wind Power Generation System[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(1):129-136.
[9] 劉軍,何玉林,李俊,黃文.變速變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略改進(jìn)與仿真[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011,35(5):82-86.
LIU Jun, HE Yulin, LI Jun, HUANG Wen. Design and Simulation of an Improved Control Strategy for Variable-speed Pitch Controlled Wind Turbine Driven Generator System[J].Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(5):82-86.
[10] T. Burton, D. Sharpe, N. Jenkins, E. Bossanyi. Wind Energy -Handbook [M]. New York: ASME PRESS, 1994
[11] 劉豹.現(xiàn)代控制理論.2版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.
[12] 薛定宇. 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助:MATLAB語(yǔ)言及應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 1996.
Study of Control Algorithm for Wind Turbine Base on MATLAB
KONG Chaozhi, FU Xiaolin FENG Yonggang
(CHENGDU Forward Technology Corp. LTD., Sichuan Province Chengdu 611731, China)
Abstract: It is introduced that the implementation process of control algorithm for MW variable speed variable pitch wind turbine. According to the nonlinear characteristics of wind generator system, a method for tuning control algo-rithm parameters is presented through the model linearization and minimal realization via state-space equations. Using the powerful numerical calculation function of MATLAB/Simulink software, it designed main control factors, testing and adjusting parameters. Then, the simulation study of a complete control algorithm is finished by bladed external controller module. Compared with conventional control algorithms, the method discussed in this paper can meet both of the dynamic characteristics and stability in the control process, improved the system’s operating performance effectively.
Key words: wind turbine; variable speed variable pitch; control algorithm; parameter tuning; simulation
