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风力发电系统控制技术的研究

来源：纷纭教育

　第21卷第3期　2005年9月

上海电力学院学报

Vol.21,No.3Sep.　2005

Journal　of　Shanghai　University　of　Electric　Power

文章编号:1006-4729(2005)03-0205-05　　

风力发电系统控制技术的研究

马昕霞,宋明中,马　强,李永光

3.河北灵寿综合高中,河北灵寿　050500)

(1.上海电力学院,上海　200090;2.宝山钢铁股份有限公司,上海　201900;

摘　要:分析了风力机运行特性及其最佳运行原理,深入探讨了风力机功率调节方式,论述了时变非线性风力发电系统的具有鲁棒性的非线性控制和智能控制的方法,并提出了需要解决的若干问题.关键词:风力机;风力发电系统;功率调节;控制中图分类号:TM614　　　文献标识码:A

TheStudyonControlTechnologyof

WindPowerGenerationSystem

MAXin2xia,SONGMing2zhong,MAQiang,LIYong2guang

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai　200090,China;

2.BaoshanIron&SteelCo.Ltd.,Shanghai　201900,China;3.HebeiLingshouComprehensiveHighSchool,Lingshou　050500,China)

Abstract:　Theperformancecharacteristicsandtheoperationprincipleofoptimumutilizationofwindturbineareanalyzed.Thenthepoweradjustingmodesarediscussedindepth.Finally,therobustnessofnonlinearcontrolandintelligentcontrolarediscussed,andcertainproblemstobesolvedareproposedsimultaneously.

Keywords:　windturbine;windenergyconversionsystem;poweradjustment;control

　　随着桨叶空气动力学、材料、发电机技术、计

算机和控制技术的发展,风力发电技术的发展极为迅速,单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入市场的兆瓦级机组,功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展,运行可靠性从20世纪80年代初的50%,提高到现在的98%以上,并且在风电场运行的风力发电机组

[1]

全部可以实现集中控制和远程控制.风能已成为一种重要的可再生、无污染的绿色能源,风力发电倍受重视.风力发电技术是涉及空气动力学、机械传动、电机、电力电子、自动控制、力学、材料学等多学科的综合性高技术系统工程.风能的随机

　　收稿日期:2005-03-28

性、阵风性、不确定性,导致风力机组所输出的电

功率的频率、电压均随风速而变,因此,必须对电能品质进行控制和整定.

本文分析了风力机运行特性及其最佳运行原理,深入探讨了风力机功率调节方式,并详细论述了时变非线性风力发电系统的具有鲁棒性的非线性控制和智能控制的方法.

1　风力发电机组工作原理

风力发电机组通常由叶轮、传动系统、发电机、偏航系统、控制系统等部分组成.叶轮的作用是将风能转换为机械能,将气动性能优异的叶片

206上　海　电　力　学　院　学　报　　　　　　　　　　　　　　2005年

安装在轮毂上,组成叶轮.风轮转速较低,以保证叶片前端的线速度在叶片材料允许的范围内,通过传动系统由齿轮箱增速,将叶轮30r/min左右转速提高到800～1500r/min,将机械能传递给发电机.以上部件都安装在机舱内部,整个机舱由塔架支撑,机舱与塔架之间安装有偏航系统,它根据风向传感器检测的风向信号,由控制器控制调节电机的起停,驱动与偏航大齿轮啮合的小齿轮转动,使机舱对准来风的方向.控制系统是风力发电机组的“大脑”,由它自动完成机组的所有工作过程,并提供人机接口和远程监控的接口.

最大为0.593,也称为Betz极限,它随风速、风力

机转速,以及风力机叶片参数(如桨距角β等)而

[3]

变化.它也是风力机将风能转化为机械能的效率,是风轮叶尖线速度与风速之比λ的函数,Cp与λ的曲线是风力机的基本性能之一.

由式(1)可知,在风速给定的情况下,风轮获得的功率取决于风能利用系数.在任何风速下,如果风力机都能在Cpmax下运行,便可以增加其输出功率,如图1所示.

2　风力机最佳运行原理

风力发电机组的输出功率主要受3个因素的影响:可利用的风能、发电机的功率曲线和发电机对变化风速的响应能力.根据空气动力学中的贝兹(Betz)理论,一台实际风力机所捕获的风能可转变为机械输出功率Pr的表达式为

Pr=ρCp(β,λ)πRV

[2]

图1　风力机功率系数与叶尖速比关系曲线

(1)(2)

λ=式中:Pr

ρRVCp

VtipVwind

ωR=V

风轮吸收的功率,W;空气密度,kg/m;风轮的半径,m;风速,m/s;

风力机的功率系数;桨距角;叶尖速比;

风轮旋转角速度,r/s.

　　由图1可见,在任何风速下,只要使风轮的叶

尖速比λ=λopt,就可以维持风力机在Cpmax下运行.因此,风速变化时只要调节风轮转速,使其叶尖速比与风速之比保持不变,就可获得最佳功率系数,这就是风力机的最佳运行原理.

　　风力机有3种典型的运行状态,如图2所[3]示.

βλω

　　由式(1)可知:

(1)若风速V为常数,则Pr与风轮半径R

成正比,即为获得较大的输出功率,风轮机要有尽可能大的半径,也即尽可能大的风轮叶片扫掠面积,但大尺寸的风轮势必导致叶轮成本增加,并使安装难度加大;

(2)若风轮半径R为常数,P∝V,则要求风

力发电机组尽可能安装在高风速的地域,这与自然条件有关,同一位置,高度越高,风速越大;

(3)风率与风轮叶片数无关,与空气密

图2　风力机典型运行状态

度成正比;

(4)较大的风力机的功率系数为Cp.

图2中:Uc

UBUR

风力机的功率系数Cp不是一个常数,理论上

风力机切入的转速;

允许转子最大转速时的风速;额定风速;

　　　　　　　　　　　　　　　马昕霞等:风力发电系统控制技术的研究207

风力机切除速度.

　　(1)低风速(Uc≤U≤UB)段实行变速运行,可保持一个恒定的Cp值(尽可能大,最好达到Betz极限值),根据风速变化控制风力机转速,使叶尖速比λ不变,直到转速达到极限;

(2)转速达到极限后,风速进一步加大时,按

3.1　定桨距失速调节

定桨距风力发电机组采用失速调节,其功率调节完全依靠叶片气动特性,如图3b所示.当桨距角β固定不变时,随着风速的增加,功角α增大,分离区形成大的涡流,流动失去翼型效应,与未分离时相比,上下翼面压力差减小,致使阻力增加,升力减少,造成叶片失速,维持功率恒定,其效率较低.为了提高电机在低速时的效率,通常采用双速发电机(即大小发电机)在低风速段运行.采用小电机可使桨叶具有较高的气动效率,提高发电机的运行效率.定桨距风力发电机组输出功率的大小受空气密度、叶片安装角度、高风速的影响较大.

3.2　变桨距调节

恒定转速控制风力机运行(UB≤U≤UR),直到输

出最大功率,此时的风能利用系数Cp不一定是最大值;

(3)超过额定风速(UR≤U≤UF)时,输出功率达到极限,按恒功率输出调节风力机.

3　风力发电机功率调节方式

功率调节是风力发电机组的关键技术之一.风力发电机组在超过额定风速(一般为12～16m/s)以后,由于机械强度和发电机、电力电子容量等物理性能的,必须降低风轮的能量捕获,使功率输出保持在额定值附近,同时减少叶片承受负荷和整个风力机受到的冲击,保证风力机不受损害.功率调节方式主要有定桨距失速调节、变

[4]

桨距调节和主动失速调节3种.调节原理如图3所示.

为了尽可能提高风机的风能转换效率和保证风机输出功率的平稳,在定桨距风力发电机组的基础上加装桨距调整环节,其功率调节不完全依靠叶片的气动特性,而主要依靠与叶片相匹配的叶片攻角的改变来进行调节,如图3c所示.当调节功率高于额定功率时,桨距角向迎风面积减少的方向转动一个角度,相当于增大β,减少攻角α.变桨距机组起动时可对转速进行控制,并网后可对功率进行控制,使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著改善.变距调节的风力发电机在阵风时,塔架、叶片、基础受到的冲击较之失速调节型风力发电机组要小得多,可减少材料使用率,降低整机重量.其输出功率很少受空气密度、叶片安装角度(角度随时在变)、高风速的影响.定桨距风机与变桨距风机性能特点比较如表1所示.

表1　定桨距风机与变桨距风机性能特点比较

变桨距风机

在高风速段保持额定功率随时实现最佳叶片角度,优化输出功率

能控制转轮速度,减少风力机磨损,长远将节约资金机组无功率峰值

有叶片轴承,无需叶尖刹车

定桨距风机

在高风速段功率将有损失定期手动调节叶片角度才能使输出功率得以保持不能控制转轮速度,多次经历时速段,增加部件的磨损,有时需电网反送电才能运行存在许多功率峰值

叶尖刹车,存在叶尖刹车问题

图3　功率调节原理

图3中:Vω

β轴向风速;

浆距角,桨叶回转平面与桨叶截面弦长之间的夹角;

α功角,相对气流速度与弦线间的夹

角;F作用在桨叶上的力,可分解为Fd,

Fl两部分.

Fd与速度Vω垂直,称为驱动力,使桨叶旋转;Fl与速度Vω平行,称为推力,作用在塔架上.

3.3　主动失速

主动失速调节是前两种功率调节方式的组合.如图3d所示,在低风速时,采用变桨距调节,

208上　海　电　力　学　院　学　报　　　　　　　　　　　　　　2005年

可达到更高的气动效率.风机达到额定功率后,使

桨距角β向减小的方向转过一个角度,相应的攻角α增大,使叶片的失速效应加深,从而风能的捕获.变桨距调节不需要很灵敏的调节速度,执行机构的功率相对较小.

在风电系统中得到应用.当风中的有效功率较低时,风力机工作于正常与失速两种模态.对感应电机系统以功率相对误差作为切换面:

PE(Ω,u)

y=h(Ω,u)=

PR-1式中:PR

4　风力发电机组控制技术

风能的随机性、阵风性、不确定性,导致风力机组所输出的电功率的频率、电压均随风速而变,必须对电能品质进行控制和整定.由于空气动力学的不确定性和发电机、电力电子装置模型的复杂性,对风力发电系统模型的确定很困难.因此,风力发电系统具有很强的非线性和不确定性,以及多干扰等特点,所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定工作周期.

4.1　常用控制方式4.1.1　恒速恒频控制

电功率参数值;

实际发电机输出功率,使输出信号,即功率误差在一定时间内达到零.

对两种模态分别采取不同的滑动模控制结

构,实现在风速扰动和不确定机械、电气参数条件下频率的无差跟踪和风能的最大捕获.滑模控制存在切换抖动,会对风力机械设备造成冲击.以力矩为控制信号,采用积分型滑动模控制律,有效地解决了滑动模的切换抖动.控制方案对不确知的机械摩擦力矩和随机性变化的空气力矩具有鲁棒性

[5]

.采用降阶模型设计控制器,控制率的设计

组合了无源性和滑模控制方法,通过维持向滑动面牵引的内部力的方法,风速较小时则控制风机实现最大风能捕获.其控制代价小,鲁棒性好4.3　H∞控制

H∞鲁棒控制可直接解决具有建模误差、参数

[6]

恒速恒频风力发电系统运行控制,采用普通同步发电机或异步发电机并通过补偿电容器直接并网,由于输出电能的频率满足f=pn/60的关系,要使频率保持不变,应使发电机的转速保持不

变.因此,需要改变风力机对风能的利用率(风能功率系数偏离最佳值)来使发电机转速保持不变,降低了风能的利用率和转换效率.4.1.2　变速恒频控制

不确定和干扰位置系统的控制问题,在强鲁棒性控制系统中得到了应用.针对一个具有不确定模

型的变速变桨距的风力发电系统,提出一种鲁棒控制设计方法,将包含非线性客气特性、变桨距控制机构和柔性传动链动态的风能系统作线性化处理,估计出仍存在的非线性项的上界,将其作为不确定项处理,实现了风电系统在建模不确定性条件下的最大风能捕获,并使转子轴力矩振荡幅值减少了一个数量级,大大改善了系统特性

[7]

变速恒频风电机组的发电机采用双馈感应电机,额定风速以下风力机按优化桨距角定桨运行,由发电机控制系统来控制转速,调节风力机叶尖速比,实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获;在额定转速以上风力机变桨距运行,由风力机控制系统通过调节浆距角来改变风能系数,从而控制风电机组的转速和功率,防止风电机组超出转速极限运行而引起事故.因此,额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式,变速恒频的目标是追踪与捕获最大风能.4.2　滑模变结构控制

.将

H∞鲁棒控制方法用于设计失速调节的变速风能

转换系统的控制中,系统通过静止功率变换器与无穷大电网相联,控制目的是为了保证在系统稳定性的基础上获得风能的最大转换效率,并同时降低由于风速波动和转矩脉动所引起的有害动态负载、机械应力.采用环路整形的概念,选择权函数.通过单位阶跃风速的动态仿真,验证了所提控制系统的可行性4.4　智能控制

[8]

滑模变结构控制本质上是一种不连续的开关型控制,它要求频繁、快速地切换系统的控制状态.滑模变结构控制因具有快速响应、对系统参数变化不敏感、设计简单和易于实现等优良特性而

智能控制利用其非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服变参数与非线性因素.对一个变桨

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距控制风力发电系统,采用双模控制结构,内环用模糊控制器控制发电机励磁电压,外环用神经网络控制器通过在线学习并修改Cp-λ曲线,实现风能的最大捕获并减少了机械负载力矩.

总之,非线性控制技术还处于初级的阶段,非线性控制在风力发电系统中的应用并不多,基本上是试验室里的仿真试验研究.风速、风向及负载的随机性、湍流、尾流效应等的不确定因素很多,建立既符合理论,又适于工程实际的风机系统数学模型,对系统的控制和分析具有重要的意义.

[9]

参考文献:

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5　结束语

风能在转换成电能的过程中,只降低了气流

的速度,没有给大气造成任何污染.因此,风力发电对保护环境和生态平衡,改善能源结构具有重要意义.

采用变速风机可提高风能的转换效率;采用统一电源品质调节器可改善电能品质;采用先进控制技术解决传动链上疲劳负载的降低和塔身弯曲变形的减小问题;应用当代非线性控制技术的成果,研制新型风力发电机组和鲁棒性控制技术的实现.所有这一切,对于我国风力发电机组控制技术的发展,具有非常重要的理论意义和现实意义.

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