搜索
风电机组调节与控制课程设计课题名称:变桨距风力发电机组的桨距控制与仿真学院专业班级学号姓名一、风力机简介风力机，将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。许多世纪以来，它同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。近代机电动力的广泛应用以及20世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。二、变桨距风力发电机组的桨距控制与仿真变速恒频风力发电机组与失速型风力发电机组相比，其中一个很大的优点是额定风速以上输出功率平稳。变速恒频风力发电机组运行在额定风速以上时，既要使额定功率点以上输出功率平稳，避免波动，又要使发电机组传动系统具有良好的柔性，同时还要考虑对风电机组实现有效保护。变桨距控制技术是在风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片功角，从而改变风电机组获得的空气动力转距，使机组功率输出保持稳定。本控制策略采用了功率反馈闭环控制系统，来实现变速恒频机组额定风速以上的控制目标。变桨距机构介绍变桨距执行机构是由机械和液压系统组成，它沿着风机的纵向轴调节风机的桨叶。因为桨叶的惯量很大，且变桨距执行机构不应该消耗大量的功率，所以执行机构具有的限制能力，其动态特性是在桨距角和桨距速率上均具有饱和限制的非线性动态，当桨距角和桨距速率小于饱和限度时，桨距动态呈线性本文以12m/s风速作为额定风速，根据低于额定风速时的转速控制和高于额定风速时的功率控制，分别建立变速风力发电机组在低于及高于额定风速下的SIMULINK仿真模型，研究两种情况下转矩控制器和桨距角控制器的控制效果。三、变桨距风力发电机组的控制策略（1）变速恒频风力发电机组变桨距控制策略在风速给定的情况下，风轮获得的功率将取决于功率系数。选用经验公式描述风力发电机组的特性，𝑃𝑚=12𝜋𝜌𝑅2𝑣3𝐶𝑝i由式(i)，如果在任何风速下，风力发电机组都能运行在𝐶𝑝点，就能最大化地捕获风能；也就是说，在任何风速下，只要使得风轮的叶尖速比为𝜆opt，就可维持风力发电机组工作在最大捕风效率下。因此，风速变化时，只要调节风轮转速，使其叶尖速度与风速之比保持不变，叶尖速比维持在𝜆opt，就可获得最佳的功率系数和捕获效率。这就是变速恒频风力发电机组在低风速时转速控制的基本目标，即所谓的“速度跟踪”。从理论上来说，只要风速无限大，输出功率是无限的。但实际上，由于机械强度和其他物理性能的限制，输出功率是有限度的，超过这个限度，风力发电机组将不能正常工作。因此，变速恒频风力发电机组受到两个基本限制：一是速度限制，所有的旋转部件的机械强度制约风轮的转速；二是功率限制，所有电路及电力电子器件制约风轮捕获风能转化产生的电功率。这两个限制，也就是变速恒频风力发电机组在高风速时功率控制的基本目标。理性稳态运行下，在低风速时，风力发电机组应运行在最大功率系数Cpmax点，对应风轮叶尖速比为𝜆opt，桨距角保持在β=1°。这个过程可以通过速度控制器实现，直到随着风速的增加，风力发电机组达到额定转速。在此之后，若风速持续增加，那么风力发电机组应工作在额定转速下，桨距角仍保持在β=1°直到发电机组达到额定功率。此时的风速可以认为是额定风速。当风速继续增大，超过了额定风速，根据前述风力发电机组特性曲线，则应该调节桨距角β，使得风力发电机组工作在额定功率下。图1显示了风力发电机组理想运行下，随着风速的增加，风力发电机组功率、转矩、转速、功率系数Cp、尖速比𝜆，桨距角β的变化趋势。图1风力发电机组的理想运行曲线图1中所示的风力发电机组的理想运行点，可以通过机组的参数以及经验公式确定。这些运行点将作为控制器的参考信号，在整个风速范围内，对风力发电机组进行正确的控制。这主要分两个部分实现：在额定风速以下时，调节发电机转矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比；在高于额定风速时，通过变桨距系统改变桨距角来限制风力发电机组获取能量，使机组保持在额定功率下发电。（2）低于额定风速的转速控制风力发电机组在额定风速以下的运行可以不受功率限制。在这一运行区域，风力发电机组控制系统通过对转速的控制来维持最佳功率系数Cpmax以最大化捕获风能。通常通过控制发电机的转矩来实现对转速的控制。本文采用PI控制器作为转速控制器控制发电机的转矩。PI转速控制器的控制框图如图2所示。控制器的参考信号为：𝜔𝑟𝑒𝑓=𝜆𝑜𝑝𝑡𝑣𝑅ii图2转速控制器框图（3）高于额定风速时的功率控制在这一运行区域，变速恒频风力发电机组的控制系统主要是通过调节桨距角改变风力机的功率系数，将功率输出限制在允许范围内；同时使发电机转速能随功率的输入作快速变化，这样发电机就可以在允许的转速范围内持续工作并保持传动系统良好的柔性。桨距角控制器采用PI控制器，其控制框图如图3所示。图3桨距角控制器框图在整个桨距角控制调节过程中，可以设置桨距角变化率的上限，以防止在风速迅速增加时，控制器的过快响应造成机械强度上的过载。控制框图3中，桨距角控制器将作用于风轮转矩和发电机参考转矩信号上。发电机参考转矩是发电机的额定转矩，而风轮转矩是一个控制器未知的参数。但通过一系列处理，运用前章的风轮理论，就可以得到具有较好精度的风轮转矩信号，桨距角是有上限的，一般为60°。通常，变桨距执行机构可用一阶传递函数表示为：𝐺𝛽−𝑎𝑐𝑡=1𝑇𝛽𝑠+1iii式中𝑇𝛽为时间常数。按下式设置桨距角变化率：{𝑑𝛽𝑑𝑡=1𝑇𝛽(𝛽𝑟𝑒𝑓−𝛽)𝑑𝛽𝑑𝑡≤𝛽̇𝑚𝑎𝑥𝑑𝛽𝑑𝑡=𝛽̇𝑚𝑎𝑥𝑑𝛽𝑑𝑡𝛽̇𝑚𝑎𝑥iv其中，𝛽𝑟𝑒𝑓是桨距角的目标值，𝛽̇𝑚𝑎𝑥是桨距角变化率的上限。四、变速恒频风力发电机组的变桨距控制仿真（1）低于额定风速时转速控制的仿真在仿真研究中，主要用到的SIMULINK模型、有组合风速、风力机、传动系统以及转速控制器模型。根据已有的风速模型搭建变速恒频风力发电机组在低于额定风速时的转速控制SIMULINK仿真模型，如图5所示。图5转速控制器SIMULINK仿真模型取风轮的转动惯量为55500kgm²，发电机的转动惯量为1800kgm²，风轮半径为11.6m，叶尖速比为7，桨距角为1°。初始发电机转矩为4591Nm，阵风起始、持续时间分别为4s和10s，阵风的峰值风速为2m/s，阶跃风阶跃的启动、终止和保持时间分别为20s、25s和3s，阶跃风的峰值风速为4m/s，基本风风速为7m/s，齿轮箱传动比为23.75，初始风轮转速为4.224rad/s，分别取𝐾𝑝=100000，𝐾𝑖=200以及𝐾𝑝=10000，𝐾𝑖=20，得到变速恒频风力发电机组的风轮实际转速跟踪参考转速以及发电机转矩的仿真结果图，如图6至图9所示。图6风轮实际转速与参考转速仿真(𝐾𝑝=100000，𝐾𝑖=200)图7发电机转矩仿真图(𝐾𝑝=100000，𝐾𝑖=200)图8风轮实际转速与参考转速仿真图(𝐾𝑝=10000，𝐾𝑖=20)图9发电机转矩仿真图(𝐾𝑝=10000，𝐾𝑖=20)对比可知，𝐾𝑝、𝐾𝑖取值越大，转速控制器反应越快，速度跟踪的效果越好。图7显示风轮的实际转速很好地跟踪了参考转速，因此风电机可以保持很高的捕风效率，但是发电机转矩波动较大；减小的𝐾𝑝、𝐾𝑖取值，显而易见，图7中第12～20，27～35s，风轮的实际转速明显偏离了参考转速，风力发电机组的运行也就偏离了最大功率系数𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥点。对比图7、9亦可明显看出，𝐾𝑝、𝐾𝑖取值越小，发电机转矩的波动也随之变小。本小节讨论说明转速控制器中参数的调节，需根据具体工程要求而定，否则一味增大或减小，控制器的反应速度与整个系统强度肯定有所起伏。（2）高于额定风速时的功率控制仿真由前述章节所述可知，本小节的仿真研究中，主要用到的SIMULINK模型有组合风速、风力机、桨距角控制器以及变桨距执行机构模型。桨距角控制器仍为PI，根据式(3)、(4)建立变桨距执行机构的仿真模型，如图10所示。图10变桨距执行器SIMULINK仿真模型根据己建立的4分量风速、风轮、功率控制器以及变桨距执行机构SIMULINK模型，搭建变速恒频风力发电机组在高于额定风速时的功率控制SIMULINK仿真模型，如图11所示。图11风速响应SIMULINK模型设置阵风起始、持续时间分别为25s和50s，阵风的峰值风速为3m/s，阶跃风阶跃的启动、终止和保持时间分别为80s,100s和lOs，阶跃风的峰值风速为4m/s，基本风风速为18m/s，得到变速恒频风力发电机组在高于额定风速时功率控制的风速、桨距角、转矩仿真结果如图12～图14所示。图12实际风速仿真结果图13桨距角仿真结果图14风轮转矩仿真结果由这一组图可以看出，桨距角很好地跟踪了风速的变化，而且风轮的转矩基本在发电机额定转矩附近波动，达到了较好的控制效果。四、总结通过运用Simulink/Matlab软件，将变速恒频风力发电系统的各个组成部分以及相关的控制运行，进行了数学建模和仿真分析，着重从两个方面入手:1、对变速恒频风力发电系统的基本模块进行了数学建模和Simulink仿真。内容包括了风速、风轮、传动系统以及双馈异步发电机的数学建模和仿真。这几个模块共同组成了风力发电系统的风力机系统和发电机系统，是风力发电系统最核心的要素。2、通过运用Simulink仿真，详细分析了变速恒频风力发电系统的运行控制策略。在进行仿真分析时，均使用PI控制器进行调节，并分别考察了系统在阶跃风响应以及实际风速响应的表现。结果表明，选取合适的PI控制器的参数(比例系数和积分系数)以及变桨距速度，可以在一定的系统强度要求下，获得较快速的系统响应。综上所述，本文对变速恒频风力发电系统的各个模块，进行了理论分析、数学建模与Simulink仿真分析，取得了满意的仿真结果，达到了研究的目的，为进一步深入研究、全面理解及运用打下了基础。