兆瓦級風力發(fā)電機組變槳距控制系統(tǒng)研究

式中：p一發(fā)電機極對數(shù)；m1一電機定子相數(shù)；U1一電網(wǎng)電壓，V；Cl一修正系數(shù)；ωg一發(fā)電機轉動的角速度，rad／s；ω1一發(fā)電機同步轉速，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子繞組的電抗和漏抗，Ω。
發(fā)電機轉動方程：

式中：Jg――發(fā)電機的轉動慣量，kg?m2；Te一發(fā)電機反力矩，N?m。
風輪軸角速度與發(fā)電機轉速之間關系由下式表示：

3 兆瓦級變槳距變速風力發(fā)電機組的變槳距控制策略
根據(jù)變槳距變速風力發(fā)電機在不同區(qū)域的運行情況，將基本控制策略確定為：低于額定風速時，跟蹤Cpmax曲線，以獲得最大能量；高于額定風速時，跟蹤Pmax曲線，并保持輸出穩(wěn)定。
假設啟動前發(fā)電機組的槳葉節(jié)距角處于某一恒定角度。當風速達到啟動風速后，風輪轉速由零增大到發(fā)電機可以切入的轉速，Cp值不斷上升，風力發(fā)電機組開始發(fā)電運行。通過對發(fā)電機轉速進行控制，風力發(fā)電機組逐漸進入Cp恒定區(qū)(Cp=Cpmax)，這時機組在最佳狀態(tài)下運行。隨風速增大，轉速也增大，最后達到一個允許的最大值，這時，只要功率低于允許的最大功率，轉速便保持恒定。達到功率極限后，發(fā)電機組進入功率恒定區(qū)，這時隨風速的增大，必須使Cp值減小，使葉尖速比減少的速度比在轉速恒定區(qū)更快，從而使風力發(fā)電機組在較小的Cp值下作恒定功率運行。

4 PID控制器及MATLAB仿真結果
PID控制是工業(yè)控制中基本且最常見的方法。PID控制器形式比較簡單，它由比例、積分和微分(Proportional―Integral一Derivative)構成，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)被控對象特征和所希望的控制性能要求決定三個參數(shù)(Kp、Ki、Kd)。
在低于額定風速時，控制的目標是尋求最大功率系數(shù)以捕獲最大風能。從風電廠實驗數(shù)據(jù)可知，槳距

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

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

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

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

整槳葉節(jié)距角來調(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：

當風速變化時，各種風況下輸出功率和發(fā)電機轉速的仿真結果如下圖所示。

當風速v=6m／s時，即風力機達到額定功率前，異步電動機的輸出功率和轉速的仿真如下圖4、圖5所示：
當風速v=19m／s時，即風力機達到額定功率后，異步電動機的輸出功率和轉速的仿真如下圖6、圖7所示：

5 結論
本文以1．3MW級風力發(fā)電機組為例，在分析了風能、風力機特性以及異步電機的基礎上，研究了最大風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，結果表明模型的正確性。