兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距控制系統(tǒng)研究

式中：p一發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)；m1一電機(jī)定子相數(shù)；U1一電網(wǎng)電壓，V；Cl一修正系數(shù)；ωg一發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad／s；ω1一發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，rad／s；r1，x1一分別為定子繞組的電阻和漏抗，Ω；r2，x2一分別為歸算后轉(zhuǎn)子繞組的電抗和漏抗，Ω。
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方程：

式中：Jg――發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg?m2；Te一發(fā)電機(jī)反力矩，N?m。
風(fēng)輪軸角速度與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間關(guān)系由下式表示：

3 兆瓦級(jí)變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距控制策略
根據(jù)變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同區(qū)域的運(yùn)行情況，將基本控制策略確定為：低于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤C(jī)pmax曲線，以獲得最大能量；高于額定風(fēng)速時(shí)，跟蹤Pmax曲線，并保持輸出穩(wěn)定。
假設(shè)啟動(dòng)前發(fā)電機(jī)組的槳葉節(jié)距角處于某一恒定角度。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速后，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速由零增大到發(fā)電機(jī)可以切入的轉(zhuǎn)速，Cp值不斷上升，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始發(fā)電運(yùn)行。通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐漸進(jìn)入Cp恒定區(qū)(Cp=Cpmax)，這時(shí)機(jī)組在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。隨風(fēng)速增大，轉(zhuǎn)速也增大，最后達(dá)到一個(gè)允許的最大值，這時(shí)，只要功率低于允許的最大功率，轉(zhuǎn)速便保持恒定。達(dá)到功率極限后，發(fā)電機(jī)組進(jìn)入功率恒定區(qū)，這時(shí)隨風(fēng)速的增大，必須使Cp值減小，使葉尖速比減少的速度比在轉(zhuǎn)速恒定區(qū)更快，從而使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在較小的Cp值下作恒定功率運(yùn)行。

4 PID控制器及MATLAB仿真結(jié)果
PID控制是工業(yè)控制中基本且最常見(jiàn)的方法。PID控制器形式比較簡(jiǎn)單，它由比例、積分和微分(Proportional―Integral一Derivative)構(gòu)成，其傳遞函數(shù)為：

式中：Kp、Ki和Kd分別是比例、積分和微分增益。
PID參數(shù)的整定就是根據(jù)被控對(duì)象特征和所希望的控制性能要求決定三個(gè)參數(shù)(Kp、Ki、Kd)。
在低于額定風(fēng)速時(shí)，控制的目標(biāo)是尋求最大功率系數(shù)以捕獲最大風(fēng)能。從風(fēng)電廠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，槳距

角為00，葉尖速比為9時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)Cp的值最大(約為0．4623)。因此，在低于額定風(fēng)速時(shí)，將槳葉節(jié)

距角置于00，而只要調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，使其與風(fēng)速之比保持不變(λ=ωrR/v=9)，即可獲得最佳風(fēng)能利用系

數(shù)Cpmax。采用PID控制器改變發(fā)電機(jī)定子電壓，以此調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)反力矩來(lái)改變轉(zhuǎn)速，選取Kp=150，Ki=2．

5，Kd=7．5(槳葉節(jié)距角最初被置為00)。
在高于額定風(fēng)速時(shí)，控制的目標(biāo)是保持輸出功率穩(wěn)定在最大允許值。因此在風(fēng)速較高時(shí)，通常通過(guò)調(diào)

整槳葉節(jié)距角來(lái)調(diào)節(jié)功率利用系數(shù)Cp的值，以此保持輸出功率為最大允許值。采用PID控制器調(diào)節(jié)槳葉節(jié)

距角來(lái)改變Cp的值，選取Kp=O．00007，Ki=O．00001，Kd=0．000001。由此，采用PID控制器在MATLAB中

搭建的系統(tǒng)模型如圖所示：

當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，各種風(fēng)況下輸出功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果如下圖所示。

當(dāng)風(fēng)速v=6m／s時(shí)，即風(fēng)力機(jī)達(dá)到額定功率前，異步電動(dòng)機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速的仿真如下圖4、圖5所示：
當(dāng)風(fēng)速v=19m／s時(shí)，即風(fēng)力機(jī)達(dá)到額定功率后，異步電動(dòng)機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速的仿真如下圖6、圖7所示：

5 結(jié)論
本文以1．3MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，在分析了風(fēng)能、風(fēng)力機(jī)特性以及異步電機(jī)的基礎(chǔ)上，研究了最大風(fēng)能的追蹤和額定功率保持的控制策略，并以傳統(tǒng)的PID控制方法仿真，結(jié)果表明模型的正確性。