风力发电机组变桨控制系统设计.doc

摘风力发电机组变桨控制系统设计要 ：随着“低碳”这个名词走进人们的生活，大家对可再生能源的关注度日益增大随着煤、石油的大量开采，能源问题引起了世界各个国家的警惕，可再生洁净能源尤其风能开始受到人们的重视，风力发电得到了飞速发展，风力发电机在结构和控制都在逐渐完善，变桨距风力发电机组占着主导地位并将慢慢取代定桨距风力发电机组" 本文主要研究了风电机组变桨距机构关键词：风力发电；变桨控制；定量控制1、绪论1.1 研究背景，目的及意义1.1.1 研究背景大规模利用风能等可再生能源已成为世界各国应对气候环境变化的重要议题从十六世纪人类利用风能抽水碾磨到二十世纪利用风能发电，从单桨叶风力发电机组到多桨叶风力发电机组，从垂直轴风力机到1957年第一台200kW水平轴并网风力发电机组的诞生，人类开发利用风能的技术取得了长足的进步目前，风力发电技术相对成熟，具备了大规模商业开发的条件，因此受到各国的普遍重 视，已经逐步发展成为成熟的产业l截止到2010年底，世界各国风力发电机组装机总容量已超过196，630MW，是2000年的12倍十年来，全球风力发电的年平均增长率一直保持在29%左右，2010年仅新增装机容量就达37，580MW。

在风能资源开发技术方面，使国内风力发电机组的设计、制造和技术管理运营达到国际水平为此，国家积极出台多项可再生能源法，为发展风力发电等新能源提供了政策上的保障当前，发展风电的趋势已势不可挡，风电产业正在迎接一个新的发展时期目前风力发电技术的主要发展方向是，研究如何提高风力发电机组单机的装机容量、机组的发电效率和系统的可靠运行等几方面随着机组单机容量的不断增大，对风力发电系统变桨、变速调节技术，因其在不同风况时能够获得更高的风能转换效率，可以更好的稳定系统能量输出，且摆脱并网要求对机组的转速限制，因而逐 渐占据了风力发电的主导地位1.1.2 研究目的和意义为了在发展中既能提高经济效益，又能降低单位千瓦成本，风力发电机组单机容量正向着大型化的方向改进目前国际市场上的主流产品是兆瓦级风力发电机组，在美国7MW风力发电机组己经研制成功，而英国正在研制10MW的巨型风力发电机随着风力发电机组向大型化的方向发展，风力机叶片、机械传动机构、发电机等部件的尺寸不断增长，这一发展趋势给机组的设计、安装、维护等 造成诸多技术难题中国的风力发电技术近几年取得了突破性的发展，特别是自主开发研制的1.5MW和3MW风力发电机组相继成功运行，标志着国内风电技术与世界先进国家技术差距正在逐步缩小。

但对大型风力发电机组部分关键技术的研究还比较薄弱，其中针对大型机组的变桨控制技术、直驱式发电机技术、大型风力发电系统气动特性分析等 关键技术还需要继续深入研究完善1.2 研究内容本文主要包括以下研究内容：（1）分析风力发电机周围风特性并进行模拟，进而建立风特性数学模型风特性是指风的分布位置和随时间变化的特点，对风特性进行数值模拟的结果可以应用在风力发电机组或风电场的仿真研 究中，是进行风电仿真研究的第一步2）对风力发电机组性能进行仿真可以反映风力发电机组在特定条件下能量转换过程和输出电能的变化规律，并对设备特性进行准确描述，从而验证设计的合理性，找出设备本身存在的设计不 足，提出有效的改进方案3）对风电场整体特性进行仿真针对具体风场的特定风能特性和实际风力发电机组的安装情况进行仿真，研究风能变化下各机组间的相互影响建立整个风场的仿真模型，分析不同运行方式下 风电场输出的电能对电网的影响1.3 国内外研究现状1.3.1 风力发电机组变桨距控制技术目前，大型风力发电机组的变桨距机构主要有两种实施方案，即伺服电机传动变桨控制与液压驱动传动变桨控制液压驱动传动变桨控制特点是以液压缸和曲柄滑块机构推动桨叶旋转作为动力源，由于液压系统对三个叶片进行统一桨距角控制，使得变桨执行机构出力大、结构紧凑，是目前应用最为成熟控制方式：伺服电机传动变距动力源为何服电机，经过减速器及齿轮带动桨叶旋转，每一片桨叶都需要一套独立的电动机，这种变距方案优点是控制准确，变桨力距大、速度快，缺点是其结构上决定了变桨执行机构电气布线困难，由于三个电动机要求分别独立控制，增加了控制上的难度 。

1.3.2 风力发电机组变桨距控制方法研究现状风力发电系统本身是强非线性、时变系统，由于其非线性模型难于得到，很少有研究采用基于非线性风力发电系统模型设计桨距角控制器一些研究人员通过分析风力发电机的气动特性，建立数学模型模拟系统的非线性动力特性，并以非线性模型为基础设计了非线性变桨控制器有文献采用一系列的实验测量和仿真计算等建立了相对完整的风力发电系统非线性模型，并以此为基础设计出合适的控制器参数Balas和Hand等根据大量仿真计算结果设计了传统的PID控制器，实验验证表明其设计结果可以在较大风速变化范围内控制机组稳定工作然而，对于不同的风力发电机组，这样通过大量重复仿真计算和实验检测方法得到最优的PID控制器，其操作的复 杂度和实施代价均较大为降低控制难度，大部分变桨控制器设计都是基于线性模型得到的，线性模型主要通过选择风力发电机特定的稳定工作点，并对此工作点处的非线性模型进行线性化处理而得到此类基于线性模型的变桨控制器设计主要包括：传统控制方法和现代控制方法 （1）传统控制方法许多研究文献针对风力发电机组输出功率和系统转速信号，设计了传统PID变桨控制器，但系统参数甚至模型结构会随着外界扰动参量的变化而改变，固定PID参数很难达到实时稳定的控制要求1241。

有学者针对风力发电机组变桨控制系统设计了传统PID控制器，在选择的线性化点处，PID变桨控制器对系统输出稳定得到了较好调节效果：但是当系统偏离线性化点时，文献未对控制器控制效果进行验证在实际工程应用中，尽管传统PID控制具有实现简单、控制可靠、稳定性好等优点，但其过分依赖被控对象模型以及控制器参数计算复杂等特点，在系统参数不确定且外界风速扰动变化随机性较大的风力发电机组变桨控制器设计中很难达到理想的控制效果目前，许多研究将PID控制与其他先进控制策略结合使用，形成具有一定智能控制效果的新型控制策略，弥补其不足之处保留其工程设计实用的优势，在实际风力发电机组变桨控制中都取得了较好的效果 2）现代控制方法鲁棒控制在风力发电机组变桨控制策略中应用的不多由于具备处理多变量问题的能力，且可以很好的解决系统建模误差、不确定参数和干扰位置的影响，采用线性模型的鲁棒控制，可实现变桨控制器在风力发电建模不确定性条件下的最大的风能捕获：鲁棒控制还可以解决偏航问题，以及通过控制驱动链中的转矩实现风能转换系统中疲劳负载控制器的设计目前，作为现代控制理论中重要组成部分，滑膜变结构控制已被应用到各种复杂控制系统中。

由于具备对系统模型参数变化不敏感、设计简单、控制器响应速度快等特点，滑膜变结构控制为风力 发电机组变桨控制提供了一种有效的控制方法文献《变桨距风力发电系统的滑模变结构控制》针对风力发电系统在选取的稳定工作点线性模型设计了滑模变结构控制策略，结果显示控制器克服了系统不确定性影响，且具有较好的鲁棒性由于变桨控制器主要控制风力发电机组在额定风速以上的风能捕获，因此采用滑膜变结构控制能够在系统参数变化时稳定系统输出，满足风力发电系统动态特性和鲁棒性要求；但是由于滑膜变结构在控制过程中易产生输出信号高频抖振、系统输出静态误差大的缺点，研究人员将智能控制理论与滑模变结构理论相结合，设计出相应的 复合型控制设略自适应控制是控制器设计中应用较多的一种控制方法，其控制目的主要是降低控制系统对系统参数变化，以及未知的被控对象模型的依赖程度针对自适应控制的这一特性，部分研究文献将其应 用于风力发电机组变桨控制系统的设计之中模糊控制和人工神经网络控制与是典型的智能控制方法，是目前风力发电机组变桨控制策略设计中应用较多的控制方法，许多研究文献将这两种控制方法与其他控制方法相结合，取得了较好的控制效果文献[B4]采用模糊控制方法设计了一种针对风力发电系统输出功率稳定控制的变桨控制策略，设计的控制器对被控对象模型的依赖程度较低，克服了系统模型非线性因素影响。

文献[B5]将神经网络控制方法引入变桨控制策略设计中，利用神经网络控制自学 习、训练的能力，提高了系统对风速扰动的适应性由以上分析可见，对于风力发电机组变桨控制中的直接基于非线性系统模型的研究，科研人员尝试采用多种非线性控制方法进行桨距角控制1控制策略多以大量的仿真计算或实验检测结果为基础，设计出来的控制器虽然具有较好的控制效果，但是其对于其他型 号的风力发电机组不具备通用性，工程实践意义不大2、风力发电系统动力学数学建模研究2.1 风力发电机组的模型概述风力发电机组是一个复杂的能量转换系统，涉及空气动力学、机械传动设计、自动控制理论、电机学、电力电子技术等多门学科整个系统模型可分为若干相互关联的子系统，包括风能特性子系统、风力发电机气动子系统、传动链子系统、发电机的动态子系统等显然，风力发电机组数学模型主要模拟各子系统动态特性及其互相耦合作用，对于变桨距控制策略的设计，过于复杂的系统数学模型很难实现预期控制策略因此，建立的风力发电机组气动特性及能量传动模型，不但需要能够完整描述整个机组的动力学特性，而且还要适合于控制器设计5ll目前主流风力发电机组以水平轴结构为主，因此，本文以水平轴变桨距风力发电机组为研究对象。

为了建立风力发电机组的数学模型，需要对系统中各个部件的传动特性分别建立动态子模型，还要充分考虑各个子模型之间的耦合关系，这样才能完整地分析风力发电机组的动态性能整个风力发电机组非线性系统模型如图2-1所示，可以被分为几个相互关联的子系统：风场空气动力学模型、风能转换模型、传动链模型、发电机模型 等图2-1风力发电机组非线性系统模型空气动力学模型描述了三维风场变化，以及风力推动叶片旋转的整个过程风能转换模型和传动链模型构成风力发电机系统，将叶片与传动系统及变桨执行机构相连接的是轮毂，变桨执行机构被安放在轮毂中，用以沿着叶片纵轴旋转叶片传动系统由低速转轴、齿轮箱、高速转轴和制动装置组成，其中齿轮箱的作用为提高高速轴转速，将风轮转速增加至适合发电机的转速发电机将机械能 转换为电能，发电机的输出端与公共电网相连接2.2 有效风速模型研究风力发电系统仿真，首先要研究风速特性和数学模型风速的数学模型可以用于风力发电机组或风场的仿真分析，也可用于。